CN111819675A - 用于实时测量控制的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本文中描述用于改进测量配方的方法及系统，所述测量配方描述经采用以表征半导体结构的测量序列。在完全执行由先前测量配方定义的测量队列之前重复地更新测量配方。在一些实例中，经改进测量配方识别在满足测量不确定性要求的同时增加晶片吞吐量的最小测量选项集。在一些实例中，控制测量配方优化以使测量稳健性与测量时间折衷。这在离群值及过程偏差的情形中实现灵活性。在一些实例中，控制测量配方优化以最小化测量不确定性、测量时间、移动时间及目标剂量的任一组合。在一些实例中，在收集测量数据的同时更新测量配方。在一些实例中，在一位点处更新测量配方，而在另一位点处收集数据。

Description

用于实时测量控制的方法及系统

相关申请案的交叉参考

本专利申请案依据35 U.S.C.§119主张2018年3月20日提出申请的第62/645,721号美国临时专利申请案的优先权，所述美国临时专利申请案的标的物以其全文引用方式并入本文中。本专利申请案涉及2017年1月30日提出申请的第15/419,130号美国专利申请案，所述美国专利申请案的标的物以其全文引用方式并入本文中。

技术领域

所描述实施例涉及计量系统及方法，且更特定来说涉及用于经改进测量准确度的方法及系统。

背景技术

通常通过施加到样品的处理步骤序列来制作例如逻辑及存储器装置的半导体装置。通过这些处理步骤而形成半导体装置的各种特征及多个结构层级。举例来说，尤其光刻是涉及在半导体晶片上产生图案的一种半导体制作过程。半导体制作过程的额外实例包含但不限于化学机械抛光、蚀刻、沉积及离子植入。可在单个半导体晶片上制作多个半导体装置，且然后将所述多个半导体装置分离成个别半导体装置。

在半导体制造过程期间在各个步骤处使用计量过程来检测晶片上的缺陷以促成较高合格率。通常使用包含散射测量及反射测量实施方案及相关联分析算法的若干种基于计量的技术来表征纳米尺度结构的临界尺寸、膜厚度、组合物及其它参数。

在传统上，对由薄膜及/或重复周期性结构组成的目标执行散射测量临界尺寸(SCD)测量。在装置制作期间，这些膜及周期性结构通常表示实际装置几何结构及材料结构或中间设计。随着装置(例如，逻辑及存储器装置)朝较小纳米尺度尺寸进展，表征变得更困难。装置并入有复杂三维几何结构以及具有迥异物理性质的材料导致表征困难。举例来说，现代存储器结构通常是使光学辐射难以穿透到底部层的高纵横比三维结构。利用红外线到可见光的光学计量工具可穿透许多半透明材料层，但提供良好穿透深度的较长波长不提供对小异常现象的充足敏感度。另外，表征复杂结构(例如，FinFET)所需的增加数目个参数导致增加的参数相关性。因此，通常无法可靠地将表征目标的参数解耦。

在一个实例中，已采用较长波长(例如近红外线)来尝试克服利用多晶硅作为堆叠中的交替材料中的一者的3D快闪装置的穿透问题。然而，3D快闪的镜样结构内在地致使光强度随着照射传播到膜堆叠中更深处而减小。这在深处导致敏感度损失及相关性问题。在此情景中，SCD仅能够以高敏感度及低相关性成功地提取精简计量尺寸集。

在另一实例中，在现代半导体结构中越来越多地采用不透明高k材料。光学辐射通常不能穿透由这些材料构造的层。因此，借助薄膜散射测量工具(例如椭圆偏光计或反射计)的测量变得越来越有挑战性。

响应于这些挑战，已开发较复杂光学计量工具。举例来说，已开发具有多个照射角度、较短照射波长、较宽照射波长范围及从经反射信号的较完整信息获取(例如，除较常规反射率或椭圆偏光信号之外也测量多个米勒(Mueller)矩阵元素)的工具。另外，例如透射小角度x射线散射测量(T-SAXS)系统的X射线散射测量系统有希望解决具挑战性测量应用。这些基于X射线的散射测量系统也以大照射角度范围、宽照射波长范围等为特征。尽管当前技术水平光学及X射线散射测量系统实现具挑战性测量应用，但适时测量配方产生已作为限制性能问题而出现。

测量配方优化是散射测量的关键方面。测量配方识别经采用以估计所关注结构参数(例如，临界尺寸、膜厚度、材料组合物等)的测量系统设定(例如，特定波长、入射角等)集。理想地，测量配方应包含估计所关注参数所需要的最小数目个不同测量以最大化测量吞吐量。现代散射测量工具提供宽广范围的测量系统参数(例如，入射角、波长等)。这使配方产生复杂化，因为如此多不同测量系统参数值是可用的。此外，用以执行有用测量的时间有限。因此，针对特定测量应用产生测量配方所需要的时间是关键的。

用以产生测量配方的时间对于针对每一测量需要相对长的时间周期的测量技术是尤其关键的。举例来说，一些T-SAXS测量遭受低亮度及低散射剖面的影响。因此，这些测量具有长获取时间。在一些实例中，与T-SAXS测量相关联的测量模型是复杂的且需要长计算时间来对所述模型求解。

当前，测量配方产生通过以下操作而开始：识别与特定测量应用相关联的相对大数目个不同测量；执行所有所述测量；及然后产生经改进测量配方。举例来说，识别各自具有不同系统设定(即，不同系统参数值)的测量的相对大集。然后以不同规定计量系统设定中的每一者执行一或多个结构的测量。收集且分析与所有所述测量相关联的测量数据以产生经改进测量配方(即，测量子集或不同测量集)。

迭代地应用此方法以实现令人满意的测量配方。在每一迭代时，将新测量集应用于另一批晶片。如果给定测量配方是不足够的，那么将经改进测量配方应用于下一批晶片。因此，过程转变可在计量系统提供值之前触发长周期(例如，数周)的迭代配方优化。对于较缓慢工具(例如，缺乏光子的工具)，用于配方优化的此方法产生不可接受延迟。

在一些实例中，模拟与特定测量应用相关联的相对大数目个不同测量且基于测量性能与获取时间之间的折衷而产生测量配方。在第15/362,741号美国专利申请案中描述实施在性能与获取时间之间的自动折衷的实例，所述美国专利申请案的内容以其全文引用方式并入本文中。

由于越来越小的分辨率要求、多参数相关、越来越复杂的几何结构(包含高纵横比结构)及不透明材料的越来越多的使用，未来计量应用针对计量提出挑战。经改进基于散射测量的测量系统正在出现，但测量配方产生限制总体测量性能，尤其对于缺乏光子的测量系统。因此，期望用于经改进测量配方产生的方法及系统。

发明内容

本文中描述用于经改进测量配方产生的方法及系统，所述经改进测量配方产生用于描述经采用以表征半导体结构的尺寸及材料性质的测量序列。计量工具包含宽测量选项阵列。测量性能针对每一测量选项及测量应用而变化。经改进测量配方识别在满足测量不确定性要求的同时增加晶片吞吐量的最小测量选项集。

在一个方面中，迅速地产生测量配方以通过在执行由先前测量配方定义的测量队列之前在收集测量数据时重复地更新所述测量配方而实现半导体结构的高效测量。基于新获取的测量数据而重复地更新测量配方直到实现所要测量不确定性或达到最大所允许测量时间为止。

一般来说，并不收集与整个经预编程测量配方相关联的数据，而是采用从初始测量收集的测量数据来更新测量配方从而以最少额外数据收集来确认测量。

一般不采用初始测量数据来提供对半导体结构的几何结构的最后估计，而是采用初始测量数据来创建经更新测量配方。经更新测量配方可确认初始所估计参数值或强调初始测量数据是离群值且需要额外测量。

在一些实施例中，控制测量配方优化以使测量稳健性与测量时间折衷。这在离群值及过程偏差的情形中实现灵活性。

在一些实施例中，控制测量配方优化以使测量不确定性与测量吞吐量折衷。

在一些实施例中，控制测量配方优化以最小化测量不确定性、测量时间、移动时间及目标剂量的任一组合。在这些实施例中的一些实施例中，控制测量配方优化以针对收集序列最小化测量时间与移动时间的和。

在一些实施例中，估计经更新测量配方所需要的计算比收集测量数据所花费的时间长。在这些实施例中，在收集测量数据的同时更新测量配方。

在一些实施例中，仅在经更新测量配方可用时更新用于每一测量位点的测量队列。在一些实施例中，针对一个测量位点更新测量配方，而在另一测量位点处收集数据。

在一些实施例中，将目标剂量视为测量配方优化的一部分。存在其中延长曝光在处理结束时影响测量或装置性能的许多测量情景。在这些实例中，将递送到计量目标的总体能量剂量视为测量配方优化的一部分。

一般来说，迭代地更新测量配方直到最后测量满足所需不确定性水平或测量所允许的最大时间到期为止。

可对任一数目个不同计量系统(例如但不限于x射线透射工具、x射线反射工具、红外透射工具等)执行如本文中所描述的测量配方优化。

在另一方面中，基于所测量零级射束而控制计量系统的测量质量及性能。在一些实例中，提供上文中所描述的测量质量及性能的估计作为到反馈控制器的输入。所述反馈控制器传递控制命令，所述控制命令引起计量系统的一或多个元件的状态改变，这改进测量系统质量及性能。

在一些实例中，将控制命令提供到照射源。作为响应，照射源的电状态经调整以改变所扫描光点大小及形状、照射功率、光点偏移、入射角等。

在一些实例中，将控制命令提供到控制计量系统的一或多个光学元件的位置的一或多个定位装置。作为响应，一或多个定位装置改变一或多个光学元件的位置/定向以调整入射角、照射源与照射光学器件之间的焦距、射束定位、射束光点在光学器件上的位置从而最小化表面粗糙度等的效应。

在另一方面中，在提供充足分辨率及穿透深度以贯穿高纵横比结构的整个深度表征高纵横比结构的入射角范围内执行x射线散射测量。

前述内容是发明内容且因此必须含有细节的简化、概述及省略；因此，所属领域的技术人员将了解，发明内容仅为说明性的且不以任何方式为限制性的。在本文中所陈述的非限制性详细说明中，本文中所描述的装置及/或过程的其它方面、发明性特征及优点将变得显而易见。

附图说明

图1是图解说明经配置以根据本文中所描述的方法测量样品的特性的计量系统100的图式。

图2是图解说明经配置以根据本文中所呈现的方法测量样品的特性的在另一实施例中的计量工具200的图式。

图3描绘以由角度φ及θ描述的特定定向入射于晶片101上的x射线照射射束117。

图4描绘图解说明如本文中所描述的测量配方优化的示范性方法300的流程图。

图5是图解说明经配置以根据本文中所描述的方法基于x射线散射测量数据而分辨样品参数值的模型构建与分析引擎150的图式。

图6是图解说明由透射小角度X射线散射(T-SAXS)工具(例如计量系统100)测量的沟槽结构的图式。

图7A到7D描绘由计量系统100从图6中所描绘的沟槽结构在四个不同入射角处测量的散射级的图像。

图8是图解说明由透射小角度X射线散射(T-SAXS)工具(例如计量系统100)测量的沟槽结构的另一例子的图式。

图9A到9D描绘由计量系统100从图8中所描绘的沟槽结构在四个不同入射角处测量的散射级的图像。

图10描绘与临界尺寸(CD)值的初始估计随晶片上的位点位置而变对应的绘制线。

图11A到11C分别描绘以本文中所描述的方式经受测量的典型3D快闪存储器装置190的等距视图、俯视图及横截面图。

图12是图解说明含纳于与样品101分开的真空环境中的计量系统100及200的元件的图式。

具体实施方式

现在将详细参考背景技术实例及本发明的一些实施例，本发明的实例图解说明于附图中。

在本文中描述用于经改进测量配方产生的方法及系统，所述经改进测量配方产生用以表征半导体结构的尺寸及材料性质。计量工具包含宽测量选项阵列。测量性能针对每一测量选项及测量应用而变化。经改进测量配方识别在满足测量不确定性要求的同时增加晶片吞吐量的最小测量选项集。

采用计量系统及技术来测量与不同半导体制作过程相关联的结构及材料特性。在一些实例中，针对高纵横比半导体结构的临界尺寸、厚度、叠对及材料性质的x射线散射测量而采用经优化测量配方，所述高纵横比半导体结构包含但不限于自旋转移力矩随机存取存储器(STT-RAM)、三维NAND存储器(3D-NAND)或垂直NAND存储器(V-NAND)、动态随机存取存储器(DRAM)、三维快闪存储器(3D快闪)、电阻式随机存取存储器(Re-RAM)及相变随机存取存储器(PC-RAM)。

在可用测量系统设定(例如，入射角、射束发散度、波长等)的完整范围内执行半导体结构的理想化测量。在相对长曝光时间内收集且分析与以可用测量系统设定的每一组合对半导体结构的测量相关联的数据以实现表征受测量的所述结构的所关注参数的所估计值。此理想化测量对于现代散射测量工具是不实际的。在整个测量选项宽度内执行计量目标的测量所需要的时间不切实际地长。此外，执行此详尽测量集所需要的光子剂量将威胁受测量的结构的完整性。

半导体结构的高效测量提供以所要求水平的测量不确定性及测量稳健性估计所关注参数的值所需要的最小信号信息集。

在一个方面中，迅速地产生测量配方以通过在执行由先前测量配方定义的测量队列之前在收集测量数据时重复地更新所述测量配方而实现半导体结构的高效测量。基于新获取的测量数据而重复地更新测量配方直到实现所要测量不确定性或达到最大所允许测量时间为止。

图1图解说明用于根据本文中所呈现的示范性方法测量样品的特性的计量工具100的实施例。如图1中所展示，系统100可用于在安置于样品定位系统140上的样品101的检验区102内执行x射线散射测量。在一些实施例中，检验区102具有八十微米或小于八十微米的光点大小。在一些实施例中，检验区102具有五十微米或小于五十微米的光点大小。在一些实施例中，检验区102具有四十微米或小于四十微米的光点大小。

在所描绘实施例中，计量工具100包含经配置以产生适合用于x射线散射测量的x射线辐射的x射线照射源110。在一些实施例中，x射线照射系统110经配置以产生介于0.01纳米与1纳米之间的波长。X射线照射源110产生入射于样品101的检验区102上的x射线射束117。

一般来说，可预计能够以足以实现高吞吐量直列计量的通量水平产生高亮度x射线的任何适合高亮度x射线照射源以供应用于x射线散射测量的x射线照射。在一些实施例中，x射线源包含使得x射线源能够递送处于不同可选择波长的x射线辐射的可调谐单色仪。

在一些实施例中，采用发射具有大于15keV的光子能量的辐射的一或多个x射线源来确保x射线源以允许穿过整个装置以及晶片衬底的充足透射的波长来供应光。通过非限制性实例的方式，可采用粒子加速器源、液态阳极源、旋转阳极源、固定固态阳极源、微焦源、微焦旋转阳极源及逆康普顿(Compton)源中的任一者作为x射线源110。在一个实例中，可预计可从林森科技(Lyncean Technologies)公司(帕洛阿尔托，加利福尼亚州(美国))购得的逆康普顿源。逆康普顿源具有能够在光子能量范围内产生x射线借此使得x射线源能够递送处于不同可选择波长的x射线辐射的额外优点。

示范性x射线源包含经配置以轰击固态或液态目标以刺激x射线辐射的电子束源。图2描绘用于根据本文中所呈现的示范性方法测量样品的特性的计量工具200。计量工具100与200的相同编号的元件是类似的。然而，在图2中所描绘的实施例中，x射线照射源110是基于液态金属的x射线照射系统。液态金属喷流119从液态金属容器111产生且经收集在液态金属收集器112中。液态金属循环系统(未展示)使由收集器112收集的液态金属返回到液态金属容器111。液态金属喷流119包含一或多个元素。通过非限制性实例的方式，液态金属喷流119包含铝、镓、铟、锡、铊及铋中的任一者。以此方式，液态金属喷流119产生与其构成元素对应的x射线。在一个实施例中，液态金属喷流包含镓及铟合金。在一些实施例中，x射线照射系统110经配置以产生介于0.01纳米与1纳米之间的波长。电子束源113(例如，电子枪)产生由电子光学器件114引导到液态金属喷流119的电子流118。适合电子光学器件114包含用于聚焦电子束且将所述束引导于液态金属喷流处的电磁铁、永久磁铁或电磁铁与永久磁铁的组合。液态金属喷流119与电子流118的并存产生入射于样品101的检验区102上的x射线射束117。

在对KLA科磊(KLA-Tencor)公司的2011年4月19日发布的第7,929,667号美国专利中描述用于产生高亮度液态金属x射线照射的方法及系统，所述美国专利的全文以引用方式并入本文中。

在一个实施例中，入射x射线射束117处于24.2keV的铟kα线。使用用于x射线散射测量的多层x射线光学器件将x射线射束缩小准直为小于1毫弧度发散度。

在一些实施例中，在不使用位于x射线源与受测量的样品之间的屏幕的情况下实现本文中所描述的x射线散射测量。在这些实施例中，入射射束在入射角度、多个波长或两者的组合的范围内的所测量强度提供充足信息以分辨所测量结构的所要材料性质(例如，复折射率、电子密度或吸收率)的分布图谱(即，图像)。然而，在一些其它实例中，将针孔或另一孔隙定位于原本不透明屏幕(位于x射线源与受测量的样品之间)上以改进x射线射束的准直。针对孔隙的数个位置测量衍射图案的强度。在一些其它实施例中，使用具有假随机孔隙图案的屏幕，且针对多个屏幕测量衍射图案。也可预计这些方法以提供额外信息来分辨所测量结构的所要材料性质的三维分布。

在一些实施例中，通过两个或多于两个孔隙、狭缝或其组合来控制入射x射线射束的轮廓。在另一实施例中，孔隙、狭缝或两者经配置以与样品的定向协调地旋转以针对每一入射角、方位角或两者优化入射射束的轮廓。

如图1中所描绘，x射线光学器件115将入射x射线射束117整形并引导到样品101。在一些实例中，x射线光学器件115包含用以将入射于样品101上的x射线射束单色化的x射线单色仪。在一个实例中，采用晶体单色仪(例如洛克斯利-坦纳-博文(Loxley-Tanner-Bowen)单色仪)来将x射线辐射射束单色化。在一些实例中，x射线光学器件115使用多层x射线光学器件将x射线射束117准直或聚焦到样品101的检验区102上为小于1毫弧度发散度。在一些实施例中，x射线光学器件115包含一或多个x射线准直镜、x射线孔隙、x射线射束截捕器、折射x射线光学器件、衍射光学器件(例如波带片)、镜面x射线光学器件(例如掠入射椭球面镜)、多毛细管光学器件(例如空心毛细管x射线波导)、多层光学器件或系统或者其任一组合。在第2015/0110249号美国专利公开案中描述其它细节，所述美国专利公开案的内容以其全文引用方式并入本文中。

一般来说，照射光学器件系统的焦平面针对每一测量应用而优化。以此方式，系统100经配置以取决于测量应用而将焦平面定位于样品内的各种深度处。

X射线检测器116收集从样品101散射的x射线辐射125且根据x射线散射测量模态产生指示对入射x射线辐射敏感的样品101的性质的输出信号126。在一些实施例中，在样品定位系统140将样品101定位且定向以产生以角度方式分辨的经散射x射线时，x射线检测器116收集经散射x射线125。

在一些实施例中，x射线散射测量系统包含具有高动态范围(例如，大于10⁵)的一或多个光子计数检测器以及在不具有破坏的情况下且在具有最少寄生反向散射的情况下吸收直射射束(即，零级射束)的厚的高度吸收性晶体衬底。在一些实施例中，单个光子计数检测器检测所检测光子的位置及数目。

全射束x射线散射测量需要收集零级射束连同较高衍射级。零级射束比其它级强烈数个数量级。如果零级射束未在检测器的X射线敏感区段中经完全吸收，那么其将散射且产生寄生信号。这些寄生信号的强度限制测量的动态范围。举例来说，如果寄生信号是最大通量信号(即，零级信号)的10^-4，那么将污染与许多较高级相关联的信号。因此，关键的是，检测器(例如，检测器116)展现X射线到电子空穴对的高转换效率及高X射线吸收以增加全射束计量的有效动态范围。

适合用于全射束x射线散射测量的示范性检测器材料包含碲化镉(CdTe)、锗(Ge)及砷化镓(GaAs)晶体及其它晶体。在一些实施例中，检测器材料经选择以在与源能量对应的窄能带中提供高转换效率。

在一些实施例中，检测器材料的厚度经选择以实现传入X射线的所要吸收。在一些实施例中，使检测器相对于传入X射线射束(各种衍射级)倾斜以增加X射线射束穿过检测器材料的路径长度，且因此增加总吸收量。

在一些实施例中，采用双阈值检测器来改进SNR。

在一些实施例中，x射线检测器分辨一或多个x射线光子能量且针对每一x射线能量分量产生指示样品的性质的信号。在一些实施例中，x射线检测器116包含以下各项中的任一者：CCD阵列、微通道板、光电二极管阵列、微带比例计数器、充气比例计数器、闪烁器或荧光材料。

以此方式，除像素位置及计数数目之外，也按照能量来区分检测器内的X射线光子相互作用。在一些实施例中，通过将X射线光子相互作用的能量与预定阈值上限及预定阈值下限进行比较而区分X射线光子相互作用。在一个实施例中，经由输出信号126将此信息传递到计算系统130以用于进一步处理及存储。

在一些实施例中，使检测器相对于传入X射线进行扫描以缓解因入射零级射束而引起的损坏或过多充电。在这些实施例中的一些实施例中，使检测器相对于传入X射线连续地扫描以避免使零级射束停留在检测器表面上的特定位置上达延长时间段。在一些其它实施例中，使检测器相对于传入X射线周期性地移动以避免使零级射束停留在检测器表面上的特定位置上达延长时间段。在一些实施例中，扫描或周期性移动大致垂直于传入X射线。在一些实施例中，所述移动是旋转的(例如，使检测器旋转，使得检测器表面上的特定位置在空间中描绘出圆圈)。在一些实施例中，所述移动是使零级射束的入射点移动到检测器表面上的各种不同位置的平移移动的组合。

在另一方面中，采用x射线散射测量系统以基于一或多个所测量衍射级而确定样品的性质(例如，结构参数值)。如图1中所描绘，计量工具100包含经采用以获取由检测器116产生的信号126且至少部分地基于所述所获取信号而确定样品的性质的计算系统130。

在x射线散射测量中，结构(例如，高纵横比、垂直制造的结构)使经准直X射线射束衍射成若干衍射级。每一衍射级在特定可预测方向上行进。衍射级的角间隔与样品的晶格常数除以波长成反比。由放置于与晶片相距某一距离处的检测器阵列检测衍射级。检测器的每一像素输出指示命中像素的光子数目的信号。

衍射级的强度为形式I(m,n,θ,φ,λ)，其中{m,n}是衍射级的整数指数，{θ,φ}是入射射束的仰角及方位角(即，入射主射线相对于固定到晶片的坐标系的极坐标)，且λ是入射X射线的波长。

数个噪声源在其离开照射且朝向样品传播时扰乱照射光。示范性扰动包含电子束电流波动、温度引发的光学漂移等。经扰乱入射通量表示为F₀(1+n₁)。

目标使入射辐射以取决于入射射束的方位角及仰角的方式散射。光散射成若干级(m,n)的效率可定义为S_mn(θ,φ)。当所衍射光从样品传播到检测器时，射束在具有某一变化(1+n₂)及寄生噪声(n₃)的情况下穿过类似地影响所有级的其它散射介质。以此方式，在时间t所测量的每一级的总强度I_mn可由方程式(1)表达。

I_mn＝S_mn(θ,φ)(1+n₂)(1+n₁)F₀t+n₃ (1)

在一些实施例中，期望在由围绕图1中所描绘的坐标系146所指示的x轴及y轴的旋转描述的不同定向处执行测量。这通过扩展可用于分析的数据集的数目及多样性以包含各种大角度平面外定向而增加所测量参数的精确度及准确度且降低参数当中的相关性。测量具有较深、较多样数据集的样品参数也降低参数当中的相关性且改进测量准确度。举例来说，在法向定向中，x射线散射测量能够分辨特征的临界尺寸，但在很大程度上对特征的侧壁角度及高度不敏感。然而，通过在宽广平面外角度位置范围内收集测量数据，可分辨特征的侧壁角度及高度。

如图1中所图解说明，计量工具100包含经配置以在相对于散射计的大平面外角度定向范围内做出将样品101对准及将样品101定向两个操作的样品定位系统140。换句话说，样品定位系统140经配置以使样品101围绕与样品101的表面平面内对准的一或多个旋转轴线在大角度范围内旋转。在一些实施例中，样品定位系统140经配置以使样品101围绕与样品101的表面平面内对准的一或多个旋转轴线在至少90度的范围内旋转。在一些实施例中，样品定位系统经配置以使样品101围绕与样品101的表面平面内对准的一或多个旋转轴线在至少120度的范围内旋转。在一些其它实施例中，样品定位系统经配置以使样品101围绕与样品101的表面平面内对准的一或多个旋转轴线在至少1度的范围内旋转。以此方式，由计量系统100收集在样品101的表面上的任一数目个位置内对样品101的经角度分辨测量。在一个实例中，计算系统130将指示样品101的所要位置的命令信号传递到样品定位系统140的运动控制器145。作为响应，运动控制器145产生到样品定位系统140的各种致动器的命令信号以实现样品101的所要定位。

通过非限制性实例的方式，如图1中所图解说明，样品定位系统140包含用以将样品101牢固地附接到样品定位系统140的边缘夹持卡盘141。旋转致动器142经配置以使边缘夹持卡盘141及所附接样品101相对于周边框架143旋转。在所描绘实施例中，旋转致动器142经配置以使样品101围绕图1中所图解说明的坐标系146的x轴旋转。如图1中所描绘，样品101围绕z轴的旋转是样品101的平面内旋转。围绕x轴及y轴(未展示)的旋转是使样品的表面相对于计量系统100的计量元件有效地倾斜的样品101的平面外旋转。尽管未图解说明，但第二旋转致动器经配置以使样品101围绕y轴旋转。线性致动器144经配置以使周边框架143在x方向上平移。另一线性致动器(未展示)经配置以使周边框架143在y方向上平移。以此方式，样品101的表面上的每一位置均可用于在平面外角度位置范围内的测量。举例来说，在一个实施例中，在相对于样品101的法向定向的-45度到+45度的范围内跨过数个角度增量测量样品101的位置。

一般来说，样品定位系统140可包含用以实现所要线性及角度定位性能的机械元件的任何适合组合，包含(但不限于)测角置物台、六脚置物台、有角度置物台及线性置物台。

如本文中所描述，以照射x射线射束相对于半导体晶片的表面法线的多个定向执行x射线散射测量。通过晶片101相对于x射线照射射束的任何两个角旋转来描述每一定向，或反之亦然。在一个实例中，可相对于固定到晶片的坐标系描述定向。图3描绘以由角度φ及θ描述的特定定向入射于晶片101上的x射线照射射束117。坐标框架XYZ固定到计量系统且坐标框架X’Y’Z’固定到晶片101。Z与法向于晶片101的表面的轴线对准。X及Y在与晶片101的表面对准的平面中。类似地，Z’与法向于晶片101的表面的轴线对准，且X’及Y’在与晶片101的表面对准的平面中。如图3中所描绘，x射线照射射束117位于X’Z’平面内。角度φ描述x射线照射射束117在X’Z’平面中相对于晶片的表面法线的定向。此外，角度θ描述X’Z’平面相对于XZ平面的定向。总之，θ及φ唯一地定义x射线照射射束117相对于晶片101的表面的定向。在此实例中，x射线照射射束相对于晶片101的表面的定向通过围绕法向于晶片101的表面的轴线(即，Z轴)的旋转及围绕与晶片101的表面对准的轴线(即，Y’轴)的旋转来描述。在一些其它实例中，x射线照射射束相对于晶片101的表面的定向通过围绕与晶片101的表面对准的第一轴线及与晶片101的表面对准且垂直于所述第一轴线的另一轴线(如参考图1所描述)的旋转来描述。

图4图解说明适合用于通过本发明的计量系统100及200来实施的方法300。在一个方面中，应认识到，可经由计算系统130的一或多个处理器所执行的预编程算法实施方法300的数据处理框。虽然在计量系统100及200的上下文中呈现以下说明，但在本文中应认识到，计量系统100及200的特定结构方面不表示限制且应仅解释为说明性的。

在框301中，估计表征安置于一或多个测量位点处的半导体结构的所关注参数的初始值。在一些实施例中，使用例如基于模型的回归、叠层成像、断层成像、一或多个机器学习模型或其组合的反解技术基于可用测量数据而估计所关注参数(例如，临界尺寸、侧壁角度、高度、叠对等)的值。

在框302中，在一或多个测量位点中的每一者处确定计量系统对半导体结构的初始测量序列。所述初始测量序列中的每一测量由定义计量系统的配置的一或多个计量系统参数的不同值表征。换句话说，测量系统配置(例如，入射角、发散度、方位角、射束能量、积分时间等)针对所述初始测量序列中的每一测量是不同的。

在一些实例中，所述初始测量序列部分地基于所关注参数的初始值。在一些实例中，采用例如一级估计、蒙特卡罗(Monte-Carlo)模拟等的模拟技术来识别以相对低测量不确定性测量所关注参数的测量系统配置序列。在另一方面中，通过每一测量配置降低测量不确定性的能力来将所述测量系统配置序列排序。以此方式，所述测量序列是以具有最小预期测量不确定性的测量开始且以具有越来越大的预期测量不确定性的测量来继续的不同测量的经排序队列。

在一些实施例中，通过电磁模拟、过去的测量、模拟或参考测量所产生的库等来预测测量信号。评估与根据特定测量系统设定集(即，特定测量)在所估计值下测量所关注参数相关联的测量不确定性。重复此操作以实现具有相对低测量不确定性的所关注参数的测量序列。使用穷举搜索、模拟退火、L1范数回归、遗传搜索、经训练模型等来搜索可能测量配置。经训练模型基于依据先前所列出方法、合成训练集或实际结果而做出的决策。

在一个实例中，将通过透射小角度x射线散射测量(T-SAXS)计量系统来测量结构。在此实例中，预期间距会影响对间距测量具有最高敏感度的照射射束发散度的选择。另外，结构的周期性会影响对结构的深度具有最高敏感度的照射角度的选择。以此方式，对测量结果的预期指导测量策略。

在框303中，在一或多个测量位点中的每一者处根据与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的初始测量序列的子集中的每一测量照射半导体结构。

在框304中，在一或多个测量位点中的每一者处响应于照射而检测与初始测量序列的子集中的测量相关联的第一量的测量数据。

在框305中，在一或多个测量位点中的每一者处基于与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的第一量的测量数据而估计表征半导体结构的所关注参数的第一经更新值。

在一些实例中，基于x射线散射测量的计量涉及通过以所测量数据对预定测量模型的反解而确定样本的尺寸。所述测量模型包含几个(大约十个)可调整参数且表示样品的几何结构及光学性质以及测量系统的光学性质。反解方法包含但不限于基于模型的回归、断层成像、机器学习或其任一组合。以此方式，通过对参数化测量模型的值求解来估计目标轮廓参数，所述值最小化所测量经散射x射线强度与经建模结果之间的误差。

在另一方面中，计算系统130经配置以产生样品的所测量结构的结构模型(例如，几何模型、材料模型或经组合几何与材料模型)，产生包含来自结构模型的至少一个几何参数的x射线散射测量响应模型，且通过执行x射线散射测量数据与x射线散射测量响应模型的拟合分析而分辨至少一个样品参数值。使用分析引擎来将所模拟x射线散射测量信号与所测量数据进行比较，借此允许确定样本的几何性质以及材料性质(例如电子密度)。在图1中所描绘的实施例中，计算系统130被配置为经配置以实施如本文中所描述的模型构建与分析功能性的模型构建与分析引擎。

图5是图解说明由计算系统130实施的示范性模型构建与分析引擎150的图式。如图5中所描绘，模型构建与分析引擎150包含产生样品的所测量结构的结构模型152的结构模型构建模块151。在一些实施例中，结构模型152也包含样品的材料性质。接收结构模型152作为到x射线散射测量响应函数构建模块153的输入。x射线散射测量响应函数构建模块153至少部分地基于结构模型152而产生x射线散射测量响应函数模型155。在一些实例中，x射线散射测量响应函数模型155基于x射线形式因子，

其中F是形式因子，q是散射向量，且ρ(r)是球面坐标中的样品的电子密度。然后，x射线散射强度由以下方程式给出

接收x射线散射测量响应函数模型155作为到拟合分析模块157的输入。拟合分析模块157将经建模x射线散射测量响应与对应所测量数据126进行比较以确定样品的几何性质以及材料性质。

在一些实例中，通过最小化卡方值而实现经建模数据与实验数据的拟合。举例来说，针对x射线散射测量，可将卡方值定义为

其中

是“通道”j中的所测量x射线散射测量信号126，其中指数j描述系统参数集，例如衍射级、能量、角坐标等。

是针对“通道”j的经建模x射线散射测量信号Sj，是针对结构(目标)参数集v₁，...，v_L评估，其中这些参数描述几何(CD、侧壁角度、叠对等)及材料(电子密度等)。σ_SAXS，j是与第j个通道相关联的不确定性。N_SAXS是x射线计量中的通道的总数目。L是表征计量目标的参数的数目。

方程式(4)假定与不同通道相关联的不确定性是不相关的。在其中与不同通道相关联的不确定性是相关的实例中，可计算所述不确定性之间的协方差。在这些实例中，可将x射线散射测量的卡方值表达为

其中V_SAXS是SAXS通道不确定性的协方差矩阵，且T表示移项。

在一些实例中，拟合分析模块157通过对x射线散射测量数据126与x射线散射测量响应模型155执行拟合分析而分辨至少一个样品参数值。在一些实例中，

是优化的。

如上文中所描述，通过最小化卡方值而实现x射线散射测量数据的拟合。然而，一般来说，可通过其它函数实现x射线散射测量数据的拟合。

x射线散射测量计量数据的拟合对于提供对所关注几何及/或材料参数的敏感度的任一类型的x射线散射测量技术是有利的。样品参数可为确定性的(例如，CD、SWA等)或统计的(例如，侧壁粗糙度的rms高度、粗糙度相关长度等)，只要使用描述与样品的x射线散射测量射束相互作用的恰当模型即可。

一般来说，计算系统130经配置以采用实时临界尺寸标注(RTCD)来实时存取模型参数，或其可存取经预计算模型的库以确定与样品101相关联的至少一个样品参数值的值。一般来说，可使用某种形式的CD引擎来评估样品的经指派CD参数与相关联于所测量样品的CD参数之间的差。在对KLA科磊公司的2010年11月2日发布的第7,826,071号美国专利中描述用于计算样品参数值的示范性方法及系统，所述美国专利的全文以引用方式并入本文中。

在一些实例中，模型构建与分析引擎150通过侧馈分析、前馈分析及并行分析的任一组合而改进所测量参数的准确度。侧馈分析是指采取关于同一样品的不同区的多个数据集且将从第一数据集确定的共同参数传递到第二数据集上以供分析。前馈分析是指采取关于不同样品的数据集且使用逐步复制确切参数前馈方法将共同参数向前传递到后续分析。并行分析是指将非线性拟合方法并行或同时应用于多个数据集，其中在拟合期间耦合至少一个共同参数。

多重工具与结构分析是指基于回归、查找表(即，“库”匹配)或多个数据集的另一拟合程序步骤而进行的前馈、侧馈或并行分析。在对KLA科磊公司的于2009年1月13日发布的第7,478,019号美国专利中描述用于多重工具与结构分析的示范性方法及系统，所述美国专利以其全文引用方式并入本文中。

在框306中，在一或多个测量位点中的每一者处确定计量系统对半导体结构的第一经更新测量序列。所述经更新测量序列中的每一测量由一或多个计量系统参数的不同值表征。

在一些实例中，计量系统对半导体结构的测量序列包含一或多个不同目标参数(例如，MCD、BCD、OVL、SWA等)的测量。以此方式，测量配方的优化包含对与特定半导体结构相关联的一或多个目标参数的选择，所述一或多个目标参数提供所关注参数(例如，CD)的较佳估计。

在一些实例中，计量系统对半导体结构的测量序列包含与半导体结构相关联的不同目标(例如，同一裸片中的不同目标)的测量。以此方式，测量配方的优化包含对与特定半导体结构相关联的一或多个目标的选择，所述一或多个目标提供所关注参数(例如，叠对)的较佳估计。

在一些实例中，经更新测量序列包含不同照射角度(例如，入射角及方位角)集、不同检测器分辨率、不同曝光时间、不同目标大小、不同源大小、不同所收集能量或其任一组合。

图6描绘将由透射小角度X射线散射(T-SAXS)工具(例如计量系统100)测量的沟槽结构170。图8描绘将由透射小角度X射线散射(T-SAXS)工具(例如计量系统100)测量的沟槽结构176的另一例子。

图7A到7D描绘由计量系统100在四个不同入射角处测量的散射级的图像。图7A描绘在零度的入射角处(即，法向于晶片的表面)测量的散射级的图像171。图7B描绘在+1度的入射角处测量的散射级的图像172。图7C描绘在-1度的入射角处测量的散射级的图像173。图7D描绘在-2度的入射角处测量的散射级的图像174。

图9A到9D描绘由计量系统100在四个不同入射角处测量的散射级的图像。图9A描绘在零度的入射角处(即，法向于晶片的表面)测量的散射级的图像177。图9B描绘在+1度的入射角处测量的散射级的图像178。图9C描绘在-1度的入射角处测量的散射级的图像179。图9D描绘在-2度的入射角处测量的散射级的图像180。

如图7A到7D及图9A到9D中所图解说明，在每一图像的中心中的明亮光点与零级射束相关联。可以许多方式提取每一级的强度。在一些实施例中，衍射级在检测器处在空间上分开。在这些实施例中，由检测器阵列个别地检测衍射级，且组合与同一衍射级相关联的像素的输出(即，使其相加)。以此方式，通过累积与每一特定衍射级相关联的像素的光子计数而区分所检测衍射级。更可能在测量相对小间距特征时或在以具有相对小发散度的射束测量时发生此情景。

在一些其它实施例中，衍射级在检测器处在空间上重叠且像素输出无法仅仅经组合以确定与特定衍射级相关联的强度。在这些实施例中，采用测量模型来将衍射级解卷积以区分每一所检测衍射级的所测量强度。更可能在测量相对大间距特征时或在以具有相对大发散度的射束测量时发生此情景。

预期沟槽结构170及176的壁是笔直的且在过程窗内法向于晶片的表面而定向。在结构的顶部(其中非常高对比度边缘产生强散射信号)处的TSAXS测量是用以评定倾斜的适合测量。如果沟槽倾斜，那么顶部处的角度产生相对弱信号。因此，在所估计倾斜角度附近执行的测量实现快速测量。

理想地，所知晓的在稳定过程中可能的角度范围先验地实现高效测量配方的产生。不幸地，许多过程并非充分稳定的且基于稳定过程的假定而合成的任何测量配方高度易于发生关于离群值的不良测量性能。因此，实践中，基于稳定过程的假定的测量配方产生是有问题的，尤其鉴于离群值的有效检测对于稳健过程控制是关键的事实。

在一个实例中，在过程窗内及过程窗外在入射角范围内执行结构170及176的TSAXS测量以捕获离群值。举例来说，包含图像171到174及177到180的测量的测量配方确认结构170的零倾斜及结构176的-1度的倾斜。然而，每一结构的倾斜测量需要四个图像的测量。尽管此测量配方是稳健的，但其需要过多数目个测量。对于耗时测量，此方法是不实际的。

在常规测量配方优化的实例中，在比全过程窗小的预期过程窗内在入射角范围内执行结构170及176的TSAXS测量。在一个实例中，测量配方包含+/-1度的倾斜角度。在此实例中，每一结构的倾斜测量需要三个图像(即，图像171到173及177到179)。此方法的风险是错过离群值(例如，-2度的倾斜角度)，尤其在预期过程窗经选择为过小的情况下。相反地，如果预期过程窗经选择为大的以改进测量稳健性，那么数据收集量增加。这增加测量配方实施起来变得不实际的风险。

如本文中所描述，基于从测量子集收集的测量数据而更新测量配方会改进测量稳健性，同时减少所需要数据收集量。

在图6中所描绘的实例中，在如图7A中所描绘的零入射角处执行测量。图7A中所描绘的所测量图像指示沟槽与入射角对准(即，法向于晶片的表面)。更新测量配方以添加额外测量从而确认结构170并非倾斜的估计。为确认结构170并非倾斜，在如图7B中所描绘的+1度处执行第二测量。在图8中所描绘的实例中，在如图9A中所描绘的零入射角处执行测量。图9A中所描绘的所测量图像指示沟槽不与入射角对准(即，法向于晶片的表面)。此外，所测量衍射图案指示倾斜角度T是-1度。更新测量配方以添加额外测量从而确认结构176倾斜-1度的估计。为确认结构176倾斜-1度，在如图9C中所描绘的-1度处执行第二测量。所测量衍射图案确认倾斜角度是-1度。在这些实例中，以两个测量而非三个或四个测量执行稳健测量。

一般来说，并不收集与整个经预编程测量配方相关联的数据，而是采用从初始测量收集的测量数据来更新测量配方从而以最少额外数据收集来确认测量。应注意，一般不采用初始测量数据来提供对半导体结构的几何结构的最后估计，而是采用初始测量数据来创建经更新测量配方。经更新测量配方可确认初始所估计参数值或强调初始测量数据是离群值且需要额外测量。

在图8中所描绘的实例中，初始测量确定结构176可能是倾斜结构，且更新测量队列以确认此估计。无论是确认还是否定，下一收集精细化估计且平均地减少固定测量不确定性所需要的获取时间。

如本文中所描述，采用关于预期晶片计量结果的初始信息来产生初始测量配方。在收集初始测量数据时，更新测量配方。

图10描绘与临界尺寸(CD)值的初始估计随位点位置而变对应的绘制线182。基于受测量的晶片的已知形状而估计绘制线182。以此方式，已知晶片趋势可用于辅助不同测量位点处的CD值的估计。产生初始测量配方且在六个测量位点处执行测量。结果由参考编号183A到183F来指示。如图10中所指示，测量183A、183D、183E及183F接近于由绘制线182指示的预期值。在图10中用圆点来标记这些测量。将这些测量视为受信任测量且在产生经更新测量配方时充分地考虑所述测量。相反地，测量183B及183C距由绘制线182指示的预期值相对远。在图10中用“X”标记这些测量。在产生经更新测量配方时将这些测量撤销加权。产生经更新测量配方且在相同六个测量位点处执行测量。结果由参考编号184A到184F指示。这些测量一般较靠近于由绘制线182指示的预期值。在初始CD测量中，噪声可将测量的低敏感度方面驱动到不正确值。然而，关于跨越晶片的许多测量，系统化趋势通常变得明显。估计被精细化且提供更稳健且高效的测量配方。

在一些实施例中，控制测量配方优化以使测量稳健性与测量时间折衷。这在离群值及过程偏差的情形中实现灵活性。

在一些实施例中，控制测量配方优化以使测量不确定性与测量吞吐量折衷。

在一些实施例中，控制测量配方优化以最小化测量不确定性、测量时间、移动时间及目标剂量的任一组合。在这些实施例中的一些实施例中，控制测量配方优化以针对收集序列最小化测量时间与移动时间的和。举例来说，如果测量工具也受收集数据所需要的运动限制，那么以特定次序执行数据收集可减少移动时间(即，使晶片及光学元件移动到适当位置中所需要的时间)。这允许更多实际数据获取时间且提供更快总体测量。

在一些实施例中，估计经更新测量配方所需要的计算比收集测量数据所花费的时间长。在这些实施例中，在收集测量数据的同时更新测量配方。在一些实施例中，仅在经更新测量配方可用时更新用于每一测量位点的测量队列。在一些实施例中，针对一个测量位点更新测量配方，而在另一测量位点处收集数据。当测量位点之间的移动时间与平均获取时间相比较是相对小的时，此方法有意义。这一般是针对TSAXS测量的情形。

在一些实施例中，将目标剂量视为测量配方优化的一部分。存在其中延长曝光在处理结束时影响测量或装置性能的许多测量情景(例如，装置结构的x射线测量、抗蚀剂结构的UV测量等)。在这些实例中，将递送到计量目标的总体能量剂量视为测量配方优化的一部分。

一般来说，迭代地更新测量配方直到最后测量满足所需不确定性水平或测量所允许的最大时间到期为止。

可对任一数目个不同计量系统(例如但不限于x射线透射工具、x射线反射工具、红外透射工具等)执行如本文中所描述的测量配方优化。

在另一方面中，基于所测量零级射束而控制计量系统的测量质量及性能。在一些实例中，提供上文中所描述的测量质量及性能的估计作为到反馈控制器(例如，计算系统130)的输入。所述反馈控制器传递控制命令，所述控制命令引起计量系统的一或多个元件的状态改变，这改进测量系统质量及性能。

在一些实例中，将控制命令提供到照射源。作为响应，照射源的电状态经调整以改变所扫描光点大小及形状、照射功率、光点偏移、入射角等。

在一些实例中，将控制命令提供到控制计量系统的一或多个光学元件的位置的一或多个定位装置。作为响应，一或多个定位装置改变一或多个光学元件的位置/定向以调整入射角、照射源与照射光学器件之间的焦距、射束定位、射束光点在光学器件上的位置从而最小化表面粗糙度等的效应。

在另一方面中，在提供充足分辨率及穿透深度以贯穿高纵横比结构的整个深度表征高纵横比结构的入射角范围内执行x射线散射测量。

收集经衍射辐射强度随相对于晶片表面法线的x射线入射角而变的测量。含于多个衍射级中的信息在考虑中的每一模型参数之间通常是唯一的。因此，x射线散射以小误差及经降低参数相关性产生所关注参数值的估计结果。

在一些实施例中，将x射线检测器116维持于与样品101相同的大气环境(例如，气体净化环境)中。然而，在一些实施例中，样品101与x射线检测器116之间的距离是冗长的且环境扰动(例如，空气紊流)对所检测信号造成噪声。因此，在一些实施例中，将x射线检测器中的一或多者维持于通过真空窗与样品(例如，样品101)分开的局部真空环境中。

类似地，在一些实施例中，x射线照射源110、照射光学器件115或两者维持于与样品101相同的大气环境(例如，气体净化环境)中。然而，在一些实施例中，x射线照射源110与照射光学器件115之间的光学路径长度及照射光学器件115与样品101之间的光学路径长度是长的且环境扰动(例如，空气紊流)对照射射束造成噪声。因此，在一些实施例中，x射线照射源、照射光学器件115或两者维持于通过真空窗与样品(例如，样品101)分开的局部真空环境中。

图12是图解说明在一个实施例中的含有x射线照射源110及照射光学器件115的真空室160以及含有x射线检测器116的真空室160的图式。在优选实施例中，真空室160包含x射线照射源110与样品101之间的光学路径的实质部分，且真空室163包含样品101与x射线检测器116之间的光学路径的实质部分。真空室160及真空室163的开口分别由真空窗161及164覆盖。真空窗161及164可由对x射线辐射基本上透明的任何适合材料(例如，铍)构造。照射射束117在其朝向样品101传播时穿过真空窗161。在与样品101相互作用之后，经散射x射线辐射125穿过真空窗164，进入真空室160且入射于x射线检测器116上。适合真空环境162维持于真空室160内以最小化对照射射束117的扰动，且适合真空环境165维持于真空室163内以最小化对经散射x射线辐射125的扰动。适合真空环境可包含任何适合的真空水平、包含惰性气体(例如，氦)的任何适合净化环境或其任一组合。以此方式，尽可能多的射束路径位于真空中以最大化通量且最小化扰乱。

在一些实施例中，包含样品101的整个光学系统维持于真空中。然而，一般来说，与将样品101维持于真空中相关联的成本由于与样品定位系统140的构造相关联的复杂性而是高的。

在一个额外方面中，计量工具100包含经配置以实施如本文中所描述的射束控制功能性的计算系统(例如，计算系统130)。在图1中所描绘的实施例中，计算系统130经配置为可操作以控制入射照射射束117的照射性质(例如强度、发散度、光点大小、偏光、光谱及定位)中的任一者的射束控制器。

如图1中所图解说明，计算系统130通信地耦合到检测器116。计算系统130经配置以从检测器116接收测量数据126。在一个实例中，测量数据126包含样品的所测量响应(即，衍射级的强度)的指示。基于检测器116的表面上的所测量响应的分布，由计算系统130确定照射射束117在样品101上的入射位置及区。在一个实例中，由计算系统130应用图案辨识技术以基于测量数据126而确定照射射束117在样品101上的入射位置及区。在一些实例中，计算系统130将命令信号136传递到照射光学器件115以选择所要照射波长且将照射射束117重新引导并重新整形，使得入射照射射束117到达相对于样品101的所要位置及角度定向。在一些其它实例中，计算系统130将命令信号(未展示)传递到晶片定位系统140以将样品101定位并定向，使得入射照射射束117到达相对于样品101的所要位置及角度定向。在一些其它实例中，计算系统130将命令信号137传递到x射线源110以选择所要照射波长且将照射射束117重新引导并重新整形，使得入射照射射束117到达相对于样品101的所要位置及角度定向。

在另一方面中，使用x射线散射测量数据来基于所检测衍射级的所测量强度而产生所测量结构的图像。在一些实施例中，将x射线散射测量响应函数模型一般化以依据类属电子密度网描述散射。使此模型与所测量信号匹配同时约束此网中的经建模电子密度以强制执行连续性及稀疏边缘会提供样本的三维图像。

尽管几何基于模型的参数反演对于基于x射线散射测量的临界尺寸(CD)计量是优选的，但从相同x射线散射测量数据产生的样品的图谱可用于在所测量样品偏离几何模型的假定时识别且校正模型误差。

在一些实例中，将图像与通过相同散射测量数据的几何基于模型的参数反演来估计的结构特性进行比较。使用差异来更新所测量结构的几何模型且改进测量性能。当测量集成电路以对其制造过程进行控制、监视及疑难排解时，收敛于准确参数测量模型上的能力是特别重要的。

在一些实例中，所述图像是电子密度、吸收率、复折射率或这些材料特性的组合的二维(2-D)图谱。在一些实例中，所述图像是电子密度、吸收率、复折射率或这些材料特性的组合的三维(3-D)图谱。所述图谱是使用相对少物理约束来产生。在一些实例中，依据所得图谱直接估计一或多个所关注参数，例如临界尺寸(CD)、侧壁角度(SWA)、叠对、边缘放置误差、间距游动(pitch walk)等。在一些其它实例中，图谱可用于在样本几何结构或材料偏离出针对基于模型的CD测量所采用的参数结构模型所预计的预期值范围时对晶片过程进行除错。在一个实例中，使用图谱与通过参数结构模型根据结构的所测量参数所预测的结构的渲染之间的差来更新参数结构模型且改进其测量性能。在第2015/0300965号美国专利公开案中描述额外细节，所述美国专利公开案的内容以其全文引用方式并入本文中。在第2015/0117610号美国专利公开案中描述额外细节，所述美国专利公开案的内容以其全文引用方式并入本文中。

在一些实施例中，由如本文中所描述的x射线散射测量表征的计量目标位于受测量的晶片的划割线内。在这些实施例中，计量目标经定大小以装配于划割线的宽度内。在一些实例中，划割线宽度小于八十微米。在一些实例中，划割线小于五十微米。一般来说，在半导体制造中采用的划割线的宽度趋向于越来越小。

在一些实施例中，由如本文中所描述的x射线散射测量表征的计量目标位于受测量的晶片的作用裸片区内且是功能性集成电路的一部分(例如，存储器、图像传感器、逻辑装置等)。

一般来说，计量目标由定义为计量目标的最大高度尺寸(即，法向于晶片表面的尺寸)除以最大横向延伸范围尺寸(即，与晶片表面对准的尺寸)的纵横比表征。在一些实施例中，受测量的计量目标具有至少二十的纵横比。在一些实施例中，计量目标具有至少四十的纵横比。

图11A到11C分别描绘以本文中所描述的方式经受测量的典型3D快闪存储器装置190的等距视图、俯视图及横截面图。存储器装置190的总高度(或等效地深度)介于从1微米到数微米的范围内。存储器装置190是垂直制造的装置。例如存储器装置190的垂直制造的装置基本上使常规平面存储器装置转动90度，从而将位线及单元串垂直定向(垂直于晶片表面)。为提供充足存储器容量，不同材料的大数目个交替层沉积于晶片上。对于具有一百纳米或小于一百纳米的最大横向延伸范围的结构，这需要图案化过程良好地执行到数微米的深度。因此，25:1或50:1的纵横比并不少见。

一般来说，高亮度x射线散射测量的使用实现到目标的不透明区中的高通量x射线辐射穿透。使用x射线散射测量的可测量几何参数的实例包含孔大小、孔密度、线边缘粗糙度、线宽度粗糙度、侧壁角度、轮廓、临界尺寸、叠对、边缘放置误差及间距。可测量材料参数的实例包含电子密度。在一些实例中，x射线散射测量实现小于10nm的特征以及例如STT-RAM、V-NAND、DRAM、PC-RAM及Re-RAM的高级半导体结构的测量，其中需要几何参数及材料参数的测量。

应认识到，本发明通篇所描述的各种步骤可由单计算机系统130或替代地多计算机系统130执行。此外，系统100的不同子系统(例如样品定位系统140)可包含适合用于执行本文中所描述的步骤的至少一部分的计算机系统。因此，前述说明不应解释为对本发明的限制而仅为图解说明。此外，一或多个计算系统130可经配置以执行本文中所描述的方法实施例中的任一者的任一(任何)其它步骤。

另外，计算机系统130可以此项技术中已知的任何方式通信地耦合到检测器116及照射光学器件115。举例来说，一或多个计算系统130可耦合到分别与检测器116及照射光学器件115相关联的计算系统。在另一实例中，检测器116及照射光学器件115中的任一者可由耦合到计算机系统130的单个计算机系统直接控制。

计算机系统130可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的传输媒体从所述系统的子系统(例如，检测器116及照射光学器件115等)接收及/或获取数据或信息。以此方式，传输媒体可用作计算机系统130与系统100的其它子系统之间的数据链路。

计量系统100的计算机系统130可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的传输媒体从其它系统接收及/或获取数据或信息(例如，测量结果、建模输入、建模结果等)。以此方式，传输媒体可用作计算机系统130与其它系统(例如，存储器板上计量系统100、外部存储器或外部系统)之间的数据链路。举例来说，计算系统130可经配置以经由数据链路从存储媒体(即，存储器132或180)接收测量数据(例如，信号126)。例如，使用检测器116中的任一者的光谱仪获得的光谱结果可存储于永久或半永久存储器装置(例如，存储器132或180)中。就此来说，测量结果可从板上存储器或从外部存储器系统导入。此外，计算机系统130可经由传输媒体将数据发送到其它系统。例如，由计算机系统130确定的样品参数值170可存储于永久或半永久存储器装置(例如，存储器180)中。就此来说，测量结果可导出到另一系统。

计算系统130可包含但不限于个人计算机系统、大型计算机系统、工作站、图像计算机、并行处理器或此项技术中已知的任一其它装置。一般来说，术语“计算系统”可广义地定义为囊括具有执行来自存储器媒体的指令的一或多个处理器的任一装置。

实施例如本文中所描述的那些方法的方法的程序指令134可经由传输媒体(例如导线、缆线或无线传输链路)传输。举例来说，如图1中所图解说明，存储于存储器132中的程序指令经由总线133传输到处理器131。程序指令134存储于计算机可读媒体(例如，存储器132)中。示范性计算机可读媒体包含只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘，或磁带。

在一些实施例中，将如本文中所描述的散射测量分析实施为制作过程工具的一部分。制作过程工具的实例包含但不限于光刻曝光工具、膜沉积工具、植入工具及蚀刻工具。以此方式，使用x射线散射测量分析的结果来控制制作过程。在一个实例中，将从一或多个目标收集的x射线散射测量数据发送到制作过程工具。如本文中所描述而分析x射线散射测量数据且使用结果来调整制作过程工具的操作。

可使用如本文中所描述的散射测量来确定各种半导体结构的特性。示范性结构包含但不限于FinFET、低维结构(例如纳米线或石墨烯)、小于10nm的结构、光刻结构、穿衬底通孔(TSV)、存储器结构(例如DRAM、DRAM 4F2、快闪、MRAM)及高纵横比存储器结构。示范性结构特性包含但不限于几何参数(例如线边缘粗糙度、线宽度粗糙度、孔大小、孔密度、侧壁角度、轮廓、临界尺寸、间距)及材料参数(例如电子密度、组合物、颗粒结构、形态、应力、应变及元素识别)。

如本文中所描述，术语“临界尺寸”包含结构的任一临界尺寸(例如，底部临界尺寸、中间临界尺寸、顶部临界尺寸、侧壁角度、光栅高度等)、任何两个或多于两个结构之间的临界尺寸(例如，两个结构之间的距离)及两个或多于两个结构之间的位移(例如，叠对光栅结构之间的叠对位移等)。结构可包含三维结构、经图案化结构、叠对结构等。

如本文中所描述，术语“临界尺寸应用”或“临界尺寸测量应用”包含任何临界尺寸测量。

如本文中所描述，术语“计量系统”包含至少部分地经采用以在任何方面(包含临界尺寸应用及叠对计量应用)表征样品的任何系统。然而，此些技术术语并不限制如本文中所描述的术语“计量系统”的范围。另外，本文中所描述的计量系统可经配置以用于测量经图案化晶片及/或未图案化晶片。计量系统可经配置为LED检验工具、边缘检验工具、背侧检验工具、宏观检验工具或多模检验工具(涉及同时来自一或多个平台的数据)，以及从本文中所描述的测量技术获益的任何其它计量或检验工具。

本文中描述可用于处理样品的半导体处理系统(例如，检验系统或光刻系统)的各种实施例。术语“样品”在本文中用于是指晶片、光罩或可通过此项技术中已知的手段处理(例如，印刷或检验缺陷)的任何其它样本。

如本文中所使用，术语“晶片＂一般是指由半导体或非半导体材料形成的衬底。实例包含但不限于单晶硅、砷化镓及磷化铟。此些衬底通常可存在于半导体制作设施中及/或在其中处理。在一些情形中，晶片可仅包含衬底(即，裸晶片)。或者，晶片可包含形成于衬底上的不同材料的一或多个层。形成于晶片上的一或多个层可为“经图案化”或“未图案化”的。举例来说，晶片可包含具有可重复图案特征的多个裸片。

“光罩”可为在光罩制作过程的任何阶段处的光罩或者可或可不释放以供在半导体制作设施中使用的完成光罩。光罩或“遮罩”一般定义为具有在上面形成且配置成图案的基本上不透明区域的基本上透明衬底。衬底可包含(举例来说)例如非晶SiO₂的玻璃材料。光罩可在光刻过程的曝光步骤期间安置于抗蚀剂覆盖的晶片上面，使得可将所述光罩上的图案转印到所述抗蚀剂。

形成于晶片上的一或多个层可为经图案化或未图案化的。举例来说，晶片可包含各自具有可重复图案特征的多个裸片。此些材料层的形成及处理可最终产生完成装置。可在晶片上形成许多不同类型的装置，且如本文中所使用的术语晶片打算涵盖上面制作有此项技术中已知的任何类型的装置的晶片。

在一或多个示范性实施例中，所描述的功能可以硬件、软件、固件或其任何组合实施。如果以软件实施，那么所述功能可作为一或多个指令或代码存储于计算机可读媒体上或者经由计算机可读媒体传输。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及通信媒体两者，包含促进将计算机程序从一个地方传送到另一地方的任何媒体。存储媒体可为可由通用或专用计算机存取的任何可用媒体。通过实例而非限制方式，此类计算机可读媒体可包括：RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置或者可用于以指令或数据结构的形式载运或存储所要程序代码构件且可由通用或专用计算机或者通用或专用处理器存取的任何其它媒体。并且，可将任何连接恰当地称为计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴缆线、光纤缆线、双绞线、数字订户线(DSL)或无线技术(例如红外、无线电及微波)从网站、服务器或其它远程源传输软件，那么所述同轴缆线、光纤缆线、双绞线、DSL或无线技术(例如红外、无线电及微波)均包含于媒体的定义内。如本文中所使用，磁盘及光盘包含：压缩光盘(CD)、激光光盘、XRF光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘借助激光以光学方式再现数据。以上各项的组合也应包含于计算机可读媒体的范围内。

尽管在上文中出于指导性目的而描述了某些特定实施例，但本专利文件的教示内容具有一般适用性且不限于上文所描述的特定实施例。因此，可在不背离如权利要求书中所陈述的本发明的范围的情况下实践对所描述实施例的各种特征的各种修改、更改及组合。

Claims (20)

1.一种计量系统，其包括：

x射线照射子系统，其经配置以在一或多个测量位点中的每一者处根据与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的初始测量序列的子集中的每一测量以x射线辐射照射半导体结构；

x射线检测器，其经配置以在所述一或多个测量位点中的每一者处响应于由所述x射线照射子系统提供的所述照射而检测与所述初始测量序列的所述子集中的所述测量相关联的第一量的测量数据；及

计算系统，其经配置以

估计表征安置于所述一或多个测量位点中的每一者处的所述半导体结构的所关注参数的初始值；

在所述一或多个测量位点中的每一者处确定所述计量系统对所述半导体结构的所述初始测量序列，其中所述初始测量序列中的每一测量由定义所述计量系统的配置的一或多个计量系统参数的不同值表征；

在所述一或多个测量位点中的每一者处基于与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的所述第一量的测量数据而估计表征所述半导体结构的所述所关注参数的第一经更新值；及

在所述一或多个测量位点中的每一者处确定所述计量系统对所述半导体结构的第一经更新测量序列，其中所述经更新测量序列中的每一测量由一或多个计量系统参数的不同值表征。

2.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述x射线照射子系统在一或多个测量位点中的每一者处根据与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的所述第一经更新测量序列的子集中的每一测量以x射线辐射照射所述半导体结构，其中所述x射线检测器在所述一或多个测量位点中的每一者处响应于由所述x射线照射子系统提供的所述照射而检测与所述第一经更新测量序列的所述子集中的所述测量相关联的第二量的测量数据；且其中所述计算系统进一步经配置以：

在所述一或多个测量位点中的每一者处基于所述计量系统对所述半导体结构的所述第一经更新测量序列而估计与所述所关注参数的值的估计相关联的测量不确定性；

在所述一或多个测量位点中的每一者处基于所述第二量的测量数据而估计表征所述半导体结构的所述所关注参数的第二经更新值；及

确定所述计量系统对所述半导体结构的第二经更新测量序列，其中所述第二经更新测量序列中的每一测量由一或多个计量系统参数的不同值表征。

3.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述一或多个测量位点中的一者处的所述初始测量序列不同于所述一或多个测量位点中的另一者处的所述初始测量序列。

4.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述一或多个测量位点中的一者处的所述初始测量序列相同于所述一或多个测量位点中的另一者处的所述初始测量序列。

5.根据权利要求1所述的计量系统，其中与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的所述初始测量序列的所述子集是一个测量。

6.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述在所述一或多个测量位点中的一个测量位点处估计表征所述半导体结构的所述所关注参数的所述第一经更新值是基于与多个所述一或多个测量位点处的所述测量相关联的所述第二量的测量数据。

7.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述确定所述第一经更新测量序列包含测量不确定性、测量时间、移动时间、目标剂量或其任一组合的优化。

8.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述在一个测量位点处照射所述半导体结构是与所述在第二测量位点处确定所述第一经更新测量序列同时发生。

9.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述在第一测量位点处确定所述第一经更新测量序列是于所述在第二测量位点处照射所述半导体结构之前发生。

10.一种方法，其包括：

估计表征安置于一或多个测量位点处的半导体结构的所关注参数的初始值；

在所述一或多个测量位点中的每一者处确定计量系统对所述半导体结构的初始测量序列，其中所述初始测量序列中的每一测量由一或多个计量系统参数的不同值表征；

在所述一或多个测量位点中的每一者处根据与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的所述初始测量序列的子集中的每一测量照射所述半导体结构；

在所述一或多个测量位点中的每一者处响应于所述照射而检测与所述初始测量序列的所述子集中的所述测量相关联的第一量的测量数据；

在所述一或多个测量位点中的每一者处基于与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的所述第一量的测量数据而估计表征所述半导体结构的所述所关注参数的第一经更新值；及

在所述一或多个测量位点中的每一者处确定所述计量系统对所述半导体结构的第一经更新测量序列，其中所述经更新测量序列中的每一测量由一或多个计量系统参数的不同值表征。

11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：

在所述一或多个测量位点中的每一者处基于所述计量系统对所述半导体结构的所述第一经更新测量序列而估计与所述所关注参数的值的估计相关联的测量不确定性；

如果所述测量不确定性小于预定阈值，那么在所述一或多个测量位点中的每一者处根据与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的所述第一经更新测量序列的子集中的每一测量照射所述半导体结构；

在所述一或多个测量位点中的每一者处响应于所述照射而检测与所述第一经更新测量序列的所述子集中的所述测量中的每一者相关联的第二量的测量数据；

在所述一或多个测量位点中的每一者处基于所述第二量的测量数据而估计表征所述半导体结构的所述所关注参数的第二经更新值；及

确定所述计量系统对所述半导体结构的第二经更新测量序列，其中所述第二经更新测量序列中的每一测量由一或多个计量系统参数的不同值表征。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述一或多个测量位点中的一者处的所述初始测量序列不同于所述一或多个测量位点中的另一者处的所述初始测量序列。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述一或多个测量位点中的一者处的所述初始测量序列相同于所述一或多个测量位点中的另一者处的所述初始测量序列。

14.根据权利要求10所述的方法，其中与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的所述初始测量序列的所述子集是一个测量。

15.根据权利要求10所述的方法，其中所述在所述一或多个测量位点中的一个测量位点处估计表征所述半导体结构的所述所关注参数的所述第一经更新值是基于与多个所述一或多个测量位点处的所述测量相关联的所述第二量的测量数据。

16.根据权利要求10所述的方法，其中所述确定所述第一经更新测量序列包含测量不确定性、测量时间、移动时间、目标剂量或其任一组合的优化。

17.根据权利要求10所述的方法，其中所述在一个测量位点处照射所述半导体结构是与所述在第二测量位点处确定所述第一经更新测量序列同时发生。

18.根据权利要求10所述的方法，其中所述在第一测量位点处确定所述第一经更新测量序列是于所述在第二测量位点处照射所述半导体结构之前发生。

19.一种计量系统，其包括：

x射线照射子系统，其经配置以在一或多个测量位点中的每一者处根据与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的初始测量序列的子集中的每一测量以x射线辐射照射半导体结构；

x射线检测器，其经配置以在所述一或多个测量位点中的每一者处响应于由所述x射线照射子系统提供的所述照射而检测与所述初始测量序列的所述子集中的所述测量相关联的第一量的测量数据；及

非暂时性计算机可读媒体，其包括在由计算系统执行时致使所述计算系统进行以下操作的指令：

估计表征安置于所述一或多个测量位点中的每一者处的所述半导体结构的所关注参数的初始值；

在所述一或多个测量位点中的每一者处确定所述计量系统对所述半导体结构的所述初始测量序列，其中所述初始测量序列中的每一测量由定义所述计量系统的配置的一或多个计量系统参数的不同值表征；

在所述一或多个测量位点中的每一者处基于与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的所述第一量的测量数据而估计表征所述半导体结构的所述所关注参数的第一经更新值；及

在所述一或多个测量位点中的每一者处确定所述计量系统对所述半导体结构的第一经更新测量序列，其中所述经更新测量序列中的每一测量由一或多个计量系统参数的不同值表征。

20.根据权利要求19所述的计量系统，其中所述x射线照射子系统在一或多个测量位点中的每一者处根据与所述一或多个测量位点中的每一者相关联的所述第一经更新测量序列的子集中的每一测量以x射线辐射照射所述半导体结构，其中所述x射线检测器在所述一或多个测量位点中的每一者处响应于由所述x射线照射子系统提供的所述照射而检测与所述第一经更新测量序列的所述子集中的所述测量相关联的第二量的测量数据；所述非暂时性计算机可读媒体进一步包括在由计算系统执行时致使所述计算系统进行以下操作的指令：

在所述一或多个测量位点中的每一者处基于所述计量系统对所述半导体结构的所述第一经更新测量序列而估计与所述所关注参数的值的估计相关联的测量不确定性；

在所述一或多个测量位点中的每一者处基于所述第二量的测量数据而估计表征所述半导体结构的所述所关注参数的第二经更新值；及

确定所述计量系统对所述半导体结构的第二经更新测量序列，其中所述第二经更新测量序列中的每一测量由一或多个计量系统参数的不同值表征。

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