TW201350839A

TW201350839A - 具有組合ｘ光及光學散射計之計量工具

Info

Publication number: TW201350839A
Application number: TW102116407A
Authority: TW
Inventors: Michael S Bakeman; Andrei V Shchegrov
Original assignee: Kla Tencor Corp
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2013-12-16

Abstract

本發明提呈用於對一樣品之一所要檢驗區域同時執行光學散射及小角度x光散射(SAXS)量測之方法及系統。組合光學散射量測之SAXS量測實現具有增加之量測能力之一高處理能力計量工具。x光輻射之高能量本質穿透光學不透明薄膜、埋入式結構、高縱橫比結構及包含許多薄膜層之裝置。以多個不同的平面外定向對一平面樣品之一特定位置執行SAXS及光學散射量測。這增加量測敏感度、減小參數之間的相關性並改良量測準確度。此外，藉由基於共用至少一幾何參數之模型擬合自SAXS及光學散射量測二者導出之資料集而以更高準確度解析樣品參數值。可循序或並行執行該擬合。

Description

具有組合X光及光學散射計之計量工具

[相關申請案之交叉參考]

本專利申請案根據35 U.S.C.§119主張2012年5月8日申請之標題為「Scatterometry Metrology Apparatus With X-Ray And Optical Capabilities」之美國臨時專利申請案第61/644,050號及2012年7月10日申請之標題為「Model Building And Analysis Engine For Measuring Structure And Film Parameters Using Optical And X-ray Metrology Technologies」之美國臨時專利申請案第61/669,901號之優先權。各美國臨時專利申請案之標的係以引用方式全部併入本文。

所述實施例係關於計量系統及方法，且更特定言之係關於用於改良之量測準確度之方法及系統。

諸如邏輯及記憶體裝置之半導體裝置通常係藉由施加於一樣品之一序列處理步驟而製造。半導體裝置之各種特徵及多個結構層級係藉由此等處理步驟形成。例如，除其他以外，微影係涉及在一半導體晶圓上產生一圖案之一半導體製造程序。半導體製造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造多個半導體裝置且接著可將多個半導體裝置分成個別半導體裝置。

計量程序係在一半導體製造程序期間的各個步驟使用以偵測晶圓上之缺陷以促進更高良率。光學計量技術提供高處理能力而不冒樣品破壞之風險之潛能。通常使用包含散射量測及反射量測實施方案以及相關聯分析演算法之數個基於光學計量之技術以特性化奈米級結構之臨界尺寸、膜厚度、組合物及其他參數。

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量測。在裝置製造期間，此等膜及週期性結構通常表示實際裝置幾何形狀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)邁向較小奈米級尺寸，特性化變得更加困難。併入複雜三維幾何形狀及具有多種物理性質之材料之裝置造成特性化困難。例如，現代記憶體結構通常係使光學輻射難以穿透至底層之高縱橫比的三維結構。此外，特性化複雜結構(例如，FinFET)所需的參數數目增加導致參數相關性增加。因此，特性化目標之參數通常無法可靠地與可用量測解耦合。在另一實例中，在現代半導體結構中逐漸採用不透明的高k(介電常數)材料。光學輻射通常不能穿透由此等材料建構之層。因此，使用諸如橢圓偏光儀或反射計之薄膜散射量測工具進行的量測變得愈來愈具挑戰性。

回應於此等挑戰，已開發出更複雜的光學工具。例如，已開發出具有多個照明角度、較短及較寬範圍的照明波長及自反射信號之更完整資訊獲取之工具(例如，除更習知反射率或橢圓量測信號以外亦量測多個穆勒(Mueller)矩陣元素)。然而，此等途徑未可靠地克服與許多先進目標(例如，複雜3D結構、小於10nm之結構、採用不透明材料之結構)之量測及量測應用(例如，線邊緣粗糙度及線寬粗糙度量測)相關聯之基本挑戰。

在一實例中，將掠入射小角度x光散射(GISAXS)與用於薄膜之表面層特性化之x光反射量測(XRR)組合，如2005年5月17日發佈且讓渡給Jordan Valley Applied Radiation Ltd.之標題為「X-Ray Reflectometry With Small-Angle Scattering Measurement」之美國專利第6,895,075號中所提呈。此等技術對表面敏感，但對表面下方的埋入式結構或膜不敏感。此外，探測光束之光點大小歸因於此等技術中所採用之淺入射角而大幅增加。雖然可使用(例如)孔徑或刀刃緩解大的光點大小，但是這導致非所要地減小處理能力且增加量測時間。

未來的計量應用歸因於愈來愈小的解析度要求、多參數相關性、愈來愈複雜的幾何結構及愈來愈多地使用不透明材料而對計量提出挑戰。因此，期望用於改良之CD量測之方法及系統。

本發明提呈用於執行臨界尺寸量測之方法及系統。此等系統係用以量測與不同的半導體製造程序相關聯之結構及材料特性(例如，材料組合物、結構及膜之尺寸特性等等)。

在一態樣中，一單個計量工具對一樣品之一檢驗區域同時執行光學散射及小角度x光散射(SAXS)量測。組合光學散射量測之SAXS量測歸因於SAXS與光學散射量測技術之互補性質而實現具有增加量測能力之一計量工具。SAXS能夠量測小於10奈米之結構之幾何參數(例如，節距、臨界尺寸(CD)、側壁角度(SWA)、線寬粗糙度(LWR)及線邊緣粗糙度(LER))。此外，x光輻射之高能量本質穿透光學不透明薄膜、埋入式結構、高縱橫比結構及包含許多薄膜層之裝置。光學散射量測技術能夠量測許多不同結構之節距、CD、薄膜厚度、組合物及色散。

在另一態樣中，可藉由識別在數學上可使用自SAXS及光學散射量測導出之資料集循序或並行解析之共用模型參數而改良使用組合SAXS及光學散射量測技術量測之參數之精確度及準確度。使用多種量測技術量測共用參數減小參數之間的相關性並改良量測準確度。

在又另一態樣中，對定向於多個不同的平面外定向之一平面樣品(例如，半導體晶圓)執行之SAXS及光學散射量測增加量測參數之精確度及準確度。以多個不同角度量測該樣品之一位置導致對應於該位置之一增強型資料集。使用一更深更多樣化資料集量測參數亦減小參數之間的相關性並改良量測準確度。

前述係發明內容且因此必然含有細節的簡化、一般化及省略；因此，熟習此項技術者應了解，該發明內容僅僅係闡釋性且絕無任何限制。在本文中陳述之非限制性實施方式中將明白本文中描述之裝置及/或程序之其他態樣、發明特徵及優點。

100‧‧‧組合計量系統/組合計量工具

101‧‧‧樣品

102‧‧‧檢驗區域

110‧‧‧x光照明系統

111‧‧‧液態金屬容器

112‧‧‧液態金屬收集器

113‧‧‧電子束源

114‧‧‧電子光學器件

115‧‧‧x光光學器件

116‧‧‧x光偵測器

117‧‧‧x光光束

118‧‧‧電子流

119‧‧‧液態金屬噴流

120‧‧‧光學照明系統

121‧‧‧光學照明源

122‧‧‧光學照明光學器件

123‧‧‧光學偵測器

124‧‧‧信號/輸出信號/量測資料/量測光學信號

125‧‧‧x光輻射

126‧‧‧輸出信號/量測資料/量測x光信號

127‧‧‧光學照明光束

128‧‧‧光學輻射

130‧‧‧計算系統/光束控制器/電腦系統

131‧‧‧處理器

132‧‧‧記憶體

133‧‧‧匯流排

134‧‧‧程式指令

136‧‧‧命令信號

137‧‧‧命令信號

140‧‧‧樣品定位系統

141‧‧‧邊緣夾緊卡盤

142‧‧‧旋轉致動器

143‧‧‧周邊框架

144‧‧‧線性致動器

145‧‧‧運動控制器

146‧‧‧座標系統

150‧‧‧模型建立及分析引擎

151‧‧‧幾何模型建立模組

152‧‧‧幾何模型

153‧‧‧x光回應函數建立模組

154‧‧‧光學回應函數建立模組

155‧‧‧x光回應函數模型

156‧‧‧光學回應函數模型

157‧‧‧擬合分析模組

160‧‧‧真空腔室

161‧‧‧真空窗

162‧‧‧真空環境

170‧‧‧樣品參數值

180‧‧‧記憶體

圖1係圖解說明經組態以根據本文中描述之方法組合x光與光學計量之一組合計量系統100之一圖。

圖2係圖解說明經組態以根據本文中描述之方法基於x光與光學計量資料解析樣品參數值之一模型建立及分析引擎150之一圖。

圖3係圖解說明包含於與樣品101分離之一真空環境162中之組合計量系統100之一x光偵測器116之一圖。

圖4係圖解說明對一樣品之一檢驗區域同時執行光學散射及小角度x光散射(SAXS)量測之一例示性方法200之一流程圖。

圖5係圖解說明基於包含共用至少一共同幾何參數之x光回應模型及光學回應模型之一擬合分析判定樣品參數值之一例示性方法300之一流程圖。

現在將詳細參考本發明之背景實例及一些實施例，本發明之實例係在隨附圖式中加以圖解說明。本發明提呈用於執行臨界尺寸量測之方法及系統。此等系統係用以量測與不同的半導體製造程序相關聯之結構及材料特性(例如，材料組合物、結構及膜之尺寸特性等等)。

在一態樣中，一組合計量工具對一樣品之一檢驗區域同時執行光學散射及小角度x光散射(SAXS)量測。組合SAXS量測及光學散射量測之一計量工具歸因於SAXS與光學散射量測技術之互補本質而實現增加之量測敏感度及處理能力。藉由非限制實例，SAXS能夠量測小於10奈米之結構之幾何參數(例如，節距、臨界尺寸(CD)、側壁角度(SWA)、線寬粗糙度(LWR)及線邊緣粗糙度(LER))。此外，x光輻射之高能量本質穿透光學不透明薄膜、埋入式結構、高縱橫比結構及包含許多薄膜層之裝置。藉由非限制實例，光學散射量測技術能夠量測許多不同結構之節距、CD、薄膜厚度、組合物及色散。

如本文中描述般組合應用之SAXS及光學散射量測可用以判定半導體結構之特性。例示性結構包含(但不限於)FinFET、低維結構(諸如奈米線或石墨烯)、亞10nm結構、薄膜、微影結構、矽穿孔(TSV)、記憶體結構(諸如DRAM、DRAM 4F2、FLASH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、線寬粗糙度、孔大小、孔密度、側壁角度、輪廓、膜厚度、臨界尺寸、節距)及材料參數(諸如電子密度、晶粒結構、形態、定向、應力及應變)。

圖1圖解說明根據本文中提呈之例示性方法量測一樣品之特性之一組合計量工具100。如圖1中所示，該系統100可用以對安置在一樣品定位系統140上之一樣品101之一檢驗區域102同時執行光學散射量測及SAXS量測。在一些實施例中，該檢驗區域102具有50毫米或更小之一光點大小。

在所描繪之實施例中，計量工具100包含一基於液態金屬之x光照明系統110及一x光偵測器116。x光照明系統110包含一高亮度液態金屬x光照明源。一液態金屬噴流119係自一液態金屬容器111產生且收集在一液態金屬收集器112中。一液態金屬循環系統(未展示)將藉由收集器112收集之液態金屬返回至液態金屬容器111。液態金屬噴流119包含一或多種元素。藉由非限制實例，液態金屬噴流119包含鋁、鎵、銦、錫、鉈及鉍之任一者。以此方式，液態金屬噴流119產生對應於其組成元素之x光線。在一些實施例中，該x光照明系統110經組態以產生介於0.01奈米與1奈米之間的波長。在2011年4月19日發佈之KLA-Tencor Corp.之美國專利第7,929,667號中描述用於產生高亮度的液態金屬x光照明之例示性方法及系統，該案係以引用方式全部併入本文。

一電子束源113(例如，電子槍)產生藉由電子光學器件114引導至液態金屬噴流119之一電子流118。合適的電子光學器件114包含用以聚焦電子束並將該光束引導於液態金屬噴流處之電磁鐵、永久磁鐵或電磁鐵與永久磁鐵之一組合。液態金屬噴流119與電子流118之疊合產生入射在樣品101之檢驗區域102上之一x光光束117。x光光學器件115塑形入射x光光束117並將入射x光光束117引導至樣品101。在一些實例中，x光光學器件115單色化入射在該樣品101上之x光光束。在一些實例中，x光光學器件115將x光光束117準直或聚焦至樣品101之檢驗區域102上。在一些實施例中，x光光學器件115包含一或多個x光準直鏡、x光孔徑、x光單色器及x光光束光欄或其等之任何組合。

x光偵測器116收集散射自樣品101之x光輻射125並產生指示對入射x光輻射敏感之樣品101之性質之一輸出信號126。在樣品定位系統140對樣品101進行定位及定向以產生按角度解析之散射x光時，藉由x光偵測器116收集散射x光125。該x光偵測器116能夠解析一或多個x光光子能量並針對各x光能量分量產生指示該樣品之性質之信號。在一些實施例中，該x光偵測器116包含一CCD陣列、一微通道板、一光二極體陣列、一微帶比例計數器、一充氣比例計數器及一閃爍體之任一者。

藉由非限制性實例，圖1中圖解說明之小角度x光散射計係組態為一傳輸小角度x光散射計。然而，在一些其他實施例中，組合計量工具100包含一掠入射小角度x光散射計。

在一些實施例中，該x光偵測器被維持在與樣品101相同之大氣環境(例如，氣體清除環境)中。然而，在一些實施例中，樣品101與x光偵測器116之間的距離很長(例如，大於1米)。在此等實施例中，環境干擾(例如，空氣擾流)對偵測信號造成雜訊。因此在一些實施例中，該x光偵測器被維持在藉由一真空窗與樣品(例如，樣品101)分離之一局部真空環境中。圖3係圖解說明含有x光偵測器116之一真空腔室160之一圖。在一較佳實施例中，真空腔室160包含介於樣品101與x光偵測器116之間之路徑之大部分。真空腔室160之一開口係藉由真空窗161覆蓋。真空窗161可由對x光輻射實質上透明之任何合適材料(例如，鈹)建構。散射x光輻射125行進穿過真空窗161，進入真空腔室160且入射在x光偵測器116上。在真空腔室160內維持一合適的真空環境162以最小化對散射x光輻射125的干擾。

組合計量工具100亦包含一光學照明系統120及一光學偵測器123。光學照明系統120包含一光學照明源121及光學照明光學器件122，該光學照明光學器件122經組態以塑形來自光學照明源121之入射光學照明光束127並將入射光學照明光束127與入射x光光束117同時引導至樣品101之檢驗區域102。此外，該入射光學照明光束127及該入射x光照明光束117在空間上重疊於該樣品101之檢驗區域102處。

藉由非限制性實例，光學照明源121包含一或多個弧光燈、雷射、發光二極體、雷射驅動電漿源及雷射驅動超連續光源或其等之任何組合。一般而言，可預期任何合適的光學照明源。在一些實施例中，光學照明源121經組態以產生具有介於120奈米與2000奈米之間的波長分量之照明光。

照明光學器件122經組態以將入射光學照明光束127準直或聚焦至樣品101之檢驗區域102。在一些實例中，照明光學器件122經組態以單色化入射光學照明光束127。在一些實施例中，照明光學器件122包含一或多個光學鏡、聚焦或失焦光學器件、光學波板、光學孔徑、光學單色器及光束光欄或其等之任何組合。

光學偵測器123收集散射自樣品101之光學輻射128並產生指示對入射光學輻射敏感之樣品101之性質之一輸出信號124。在樣品定位系統140對樣品101進行定位及定向以產生按角度解析之散射光學輻射時，藉由光學偵測器123收集散射光學輻射128。該光學偵測器123能夠解析一或多個光學光子能量並針對各光學能量分量產生指示該樣品之性質之信號。在一些實施例中，該光學偵測器123係一CCD陣列、一光二極體陣列、一CMOS偵測器及光電倍增管之任一者。

光學照明系統120及光學偵測器123可以任何數目種已知組態而組態。藉由非限制性實例，光學照明系統120及偵測器123可組態為一光譜橢圓偏光儀(包含穆勒(Mueller)矩陣橢圓偏光量測)、一光譜反射計、一光譜散射計、一疊對散射計、一角解析光束輪廓反射計、一偏振解析光束輪廓反射計、一光束輪廓偏橢儀、任何單個或多個波長偏橢儀或其等之任何組合。

組合計量工具100亦包含一計算系統130，該計算系統130用以獲取分別藉由光學偵測器123及x光偵測器116產生之信號124及126且至少部分基於所獲取信號判定樣品之性質。如圖1中圖解說明，計算系統130係通信地耦合至光學偵測器123及x光偵測器116。在一態樣中，計算系統130接收與對藉由一x光光束117及一光學照明光束127二者照明之一檢驗區域102進行之樣品101之同時臨界尺寸量測相關聯之量測資料124及126。

在一實例中，光學偵測器123係一光學光譜儀，且量測資料124 包含基於藉由光學光譜儀實施之一或多個取樣程序對樣品之量測光譜回應之一指示。類似地，在一實例中，x光偵測器116係一x光光譜儀，且量測資料126包含基於藉由該x光光譜儀實施之一或多個取樣程序對樣品之量測光譜回應之一指示。

在一進一步實施例中，計算系統130經組態以採用即時臨界尺寸標註(RTCD)即時存取模型參數，或其可存取預先計算模型之庫以判定與該樣品101相關聯之至少一樣品參數值之一值。一般而言，某種形式的CD引擎可用以評估一樣品之經指派CD參數與相關聯於所量測樣品之CD參數之間之差。在2010年11月2日發佈之KLA-Tencor Corp.之美國專利第7,826,071號中描述用於計算樣品參數值之例示性方法及系統，該案係以引用方式全部併入本文。

在一進一步態樣中，組合計量工具100包含經組態以如本文中描述般實施光束控制功能性之一計算系統(例如，計算系統130)。在圖1中描繪之實施例中，計算系統130係組態為一光束控制器，其可操作以控制該入射x光光束117及該入射光學照明光束127之定位及光點大小，使得其等在任何時間點在空間上重疊於該樣品101之所要檢驗區域102處。

如圖1中圖解說明，計算系統130係通信地耦合至x光偵測器116及光學偵測器123。計算系統130經組態以自光學偵測器123接收量測資料124且自x光偵測器116接收量測資料126。在一實例中，量測資料124包含樣品之經量測光學回應之一指示。基於該經量測光學回應在偵測器123之表面上的分佈，藉由光束控制器130判定樣品101上光學照明光束127之入射位置及區域。在一實例中，藉由計算系統130應用圖案辨識技術以基於量測資料124判定樣品101上光學照明光束127之入射位置及區域。類似地，量測資料126包含樣品之經量測x光回應之一指示。基於該經量測x光回應在偵測器116之表面上的分佈，藉由光束控制器130判定樣品101上入射x光光束117之位置及區域。在一實例中，藉由計算系統130應用圖案辨識技術以基於量測資料124判定樣品101上入射x光光束117之位置及區域。作為回應，計算系統130產生一命令信號137，該命令信號137經傳達至照明光學器件122以重新引導並重新塑形入射光學照明光束127，使得入射光學照明光束127與入射x光光束117在空間上重疊在樣品101之所要檢驗區域102處。類似地，光束控制器130產生一命令信號136，該命令信號136經傳達至電子光學器件114及x光光學器件115之任一者以重新引導並重新塑形入射x光光束117，使得入射x光光束117與入射光學照明光束127在空間上重疊在樣品101之所要檢驗區域102處。

在另一態樣中，以數個不同的平面外定向對一特定檢驗區域同時執行SAXS及光學散射量測。這藉由擴展可用於分析之資料集之數目及多樣性以包含多種大角度的平面外定向來增加量測參數之精確度及準確度且減小參數之間的相關性。使用一更深更多樣性資料集量測樣品參數亦減小參數之間的相關性並改良量測準確度。

如圖1中圖解說明，組合計量工具100包含經組態以在平面外角定向之大範圍內相對於光學散射計及小角度x光散射計對準樣品101且使樣品101定向之一樣品定位系統140。換言之，樣品定位系統140經組態以在一大角度範圍內使樣品101圍繞在平面內與樣品101之表面對準之一或多個旋轉軸旋轉。在一些實施例中，樣品定位系統140經組態以在至少90度之一範圍內使樣品101圍繞在平面內與樣品101之表面對準之一或多個旋轉軸旋轉。在一些實施例中，樣品定位系統140經組態以在至少60度之一範圍內使樣品101圍繞在平面內與樣品101之表面對準之一或多個旋轉軸旋轉。在一些其他實施例中，樣品定位系統經組態以在至少1度之一範圍內使樣品101圍繞在平面內與樣品101之表面對準之一或多個旋轉軸旋轉。以此方式，藉由計量系統100對樣品101之表面上之任何數目個位置收集樣品101之角度解析量測。在一實例中，計算系統130將指示樣品101之所要位置之命令信號傳達至樣品定位系統140之運動控制器145。作為回應，運動控制器145對樣品定位系統140之各個致動器產生命令信號以達成樣品101之所要定位。

藉由非限制性實例，如圖1中圖解說明，樣品定位系統140包含一邊緣夾緊卡盤141以將樣品101固定地附接至樣品定位系統140。一旋轉致動器142經組態以相對於一周邊框架143旋轉該邊緣夾緊卡盤141及經附接樣品101。在所描繪之實施例中，旋轉致動器142經組態以使樣品101圍繞圖1中圖解說明之座標系統146之x軸旋轉。如圖1中描繪，樣品101圍繞z軸之一旋轉係樣品101之一平面內旋轉。圍繞x軸及y軸(未展示)之旋轉係樣品101之平面外旋轉，該等平面外旋轉有效地使該樣品之表面相對於計量系統100之計量元件傾斜。雖然未圖解說明一第二旋轉致動器，但是該第二旋轉致動器經組態以使樣品101圍繞y軸旋轉。一線性致動器144經組態以使周邊框架143在x方向上平移。另一線性致動器(未展示)經組態以使周邊框架143在y方向上平移。以此方式，可在平面外角位置之一範圍內量測樣品101之表面上之每個位置。例如，在一實施例中，可在相對於樣品101之垂直定向成-45度至+45度之一範圍內以若干角增量量測樣品101之一位置。

典型的光學散射量測系統並未採用能夠在平面外角位置之大範圍內(例如，大於+/- 1度)定向一樣品之一樣品定位系統。因此，藉由此等系統收集之量測資訊通常缺少對某些參數的敏感度或不能用來減小參數之間的相關性。然而，樣品定位系統140之大的平面外角定位能力擴大量測敏感度且減小參數之間的相關性。例如，在一垂直定向中，SAXS能夠解析一特徵之臨界尺寸，但是對一特徵之側壁角度及高度基本上不敏感。然而，藉由在平面外角位置之廣泛範圍內收集量測資料，可解析一特徵之側壁角度及高度。

在又另一態樣中，可藉由識別在數學上使用自SAXS及光學散射量測導出之資料集循序或並行解析之共用模型參數來改良組合SAXS及光學散射量測技術量測之參數之精確度及準確度。使用多種量測技術量測共用參數減小參數之間的相關性並改良量測準確度。

一般而言，本文中論述之SAXS及光學散射量測技術係量測受檢驗樣品之一些物理性質之間接方法。在多數情況中，量測值無法用來直接判定該樣品之物理性質。標稱量測程序由結構之參數化(例如，膜厚度、臨界尺寸等等)及機器之參數化(例如，波長、入射角、偏光角等等)組成。創建嘗試預測量測值之一模型。該模型包含與機器相關聯之參數(P_machine)及與樣品相關聯之參數(P_specimen)。

機器參數係用以特性化計量工具本身的參數。例示性機器參數包含入射角(AOI)、分析器角度(A₀)、偏光器角度(P₀)、照明波長、數值孔徑(NA)等等。樣品參數係用以特性化樣品之參數。對於一薄膜樣品，例示性樣品參數包含折射率、介電函數張量、所有層之標稱層厚度、層序列等等。為量測目的，該等機器參數被視為已知固定參數，且該等樣品參數被視為未知浮動參數。浮動參數係藉由產生理論預測值與實驗資料之間之最佳擬合之一擬合程序(例如，迴歸、庫匹配等等)解析。改變未知樣品參數P_specimen且計算模型輸出值，直至判定導致該等模型輸出值與實驗量測值之間之一近似匹配之一樣品參數值集合。

在另一進一步態樣中，組合計量工具100包含一計算系統，該計算系統經組態以：產生一樣品之一量測結構之一幾何模型；自該幾何模型產生各自包含至少一共用幾何參數之一光學回應模型及一x光回應模型；及藉由使用該x光回應模型對x光量測資料執行一擬合分析且使用該光學回應模型對光學量測資料執行一擬合分析來解析至少一樣品參數值。在圖1中描繪之實施例中，計算系統130係組態為經組態以如本文中描述般實施模型建立及分析功能性之一模型建立及分析引擎。

圖2係圖解說明藉由計算系統130實施之一例示性模型建立及分析引擎150之一圖。如圖2中描繪，模型建立及分析引擎150包含產生一樣品之一量測結構之一幾何模型152之一幾何模型建立模組151。在一些實施例中，幾何模型152亦包含樣品之材料性質。該幾何模型152被接收為x光回應函數建立模組153及光學回應函數建立模組154之輸入。x光回應函數建立模組153至少部分基於該幾何模型152產生一x光回應函數模型155。在一些實例中，該x光回應函數模型155係基於x光外觀尺寸

其中F係外觀尺寸，q係散射向量，且ρ(r)係球面座標中樣品的電子密度。接著藉由以下方程式給定x光散射強度

類似地，光學回應函數建立模組154至少部分基於該幾何模型152產生一光學回應函數模型156。在一些實例中，光學回應函數模型156係基於求解馬克士威方程式(Maxwell’s equation)以由樣品模型預測光學散射之嚴格耦合波分析(RCWA)。

x光回應函數模型155及光學回應函數模型156被接收為擬合分析模組157之輸入。該擬合分析模組157比較經模型化之x光及光學散射與對應的量測資料以判定樣品之幾何及材料性質。

在一些實例中，藉由最小化一卡方值達成模型化資料擬合於實驗資料。例如，對於光學計量，可將一卡方值定義為：

其中係在「通道」i中實驗量測之量測光學信號124，其中索引i描述一系統參數集合，諸如波長、角座標、偏光等等。(u₁,...,u_M)係針對一結構(目標)參數集合u₁、……、u_M評估之「通道」i之模型化光學信號，其中此等參數描述幾何(膜厚度、CD、側壁角度、疊對等等)及材料(折射率、吸收係數、色散模型參數)等等。σ _opt,i係與「通道」i相關聯之不確定性。N_opt係光學計量中之通道總數。M係特性化計量目標之參數數目。在2009年1月13日發佈之KLA-Tencor Corp.之美國專利第7,478,019號中描述用於光學光譜量測資料之基於模型之分析之例示性方法及系統，該案係以引用方式全部併入本文。

類似地，對於x光量測(例如，用於CD-SAXS)，可將一卡方值定義為

其中係「通道」j中之量測x光信號126，其中索引j描述一系統參數集合，諸如能量、角座標等等。(v₁,...,v_L)係針對一結構(目標)參數集合v₁、……、v_L評估之「通道」j之模型化x光信號S_j，其中此等參數描述幾何(膜厚度、CD、側壁角度、疊對等等)及材料(電子密度等等)。σ _xray,j係與第j通道相關聯之不確定性。N_xray係x光計量中之通道總數。L係特性化計量目標之參數數目。

方程式(3)及(4)假定與不同通道相關聯之不確定性不相關。在其中與不同通道相關聯之不確定性係相關之實例中，可計算該等不確定性之間的協方差。在此等實例中，用於光學量測之一卡方值可被表達為

其中V_opt係光學通道不確定性之協方差矩陣，且T表示轉置。可以相同方式計算用於x光量測之一卡方值。

一般而言，用於光學模型之目標參數集合(即，{u₁,...,u_M})及用於x光模型之目標參數集合(即，{v₁,...,v_L})係不相同的。原因係：描述光學及x光互動程序所需的材料常數及函數之差產生不同的目標參數。然而，至少一幾何參數在該x光回應函數模型155與該光學回應函數模型156之間共用。該共同參數相同或藉由一明確代數變換而彼此相關。在一些實例中，諸如膜厚度、CD、疊對等等之目標參數在該x光回應函數模型155與該光學回應函數模型156之間共用。

在一些實例中，擬合分析模組157藉由循序使用該x光回應模型155對x光量測資料126執行一擬合分析及使用該光學回應模型156對光學量測資料124執行一擬合分析來解析至少一樣品參數值。在一些實例中，首先最佳化，且在之後續最佳化中將任何解析之共同樣品參數值視為常數。類似地，在一些其他實例中，首先最佳化，且在之後續最佳化中將任何解析之共同樣品參數值視為常數。

在一些其他實例中，擬合分析模組157藉由使用該x光回應模型155對x光量測資料126及使用該光學回應模型156對光學量測資料124執行一並行擬合分析來解析至少一樣品參數值。例如，可將適用於並行分析之一卡方函數定義為

其中w_opt及w_xray係指派給光學及x光計量之加權係數。在最簡單的情況中，w_opt=w_xray=1。然而；指派不同的權重通常增強更相關計量。通常藉由實驗資料對參考計量之分析及/或對特殊預程式化實驗設計(DOE)目標量測DOE參數變動完成適當權重之選擇。

當計算卡方值時，光學計量及x光計量可含有一個以上的各自技術。例如，可使用賦予各技術之一權重係數針對掠入射SAXS及傳輸SAXS之組合使用計算。同樣，可使用指派給各技術之一權重係數針對光譜橢圓偏光量測、光束輪廓反射量測及光譜反射量測之組合使用計算。

如上文所描述，藉由最小化卡方值達成x光及光學資料之擬合。然而，一般而言，可藉由其他函數達成x光及光學資料之擬合。

光學計量資料與x光計量資料之組合擬合有利於提供對所關注幾何參數及/或材料參數的互補敏感度之任何類型的x光及光學技術。在至少一幾何參數在x光模型與光學模型之間共用之情況下，情況尤其如此。只要使用描述與樣品之x光及光學光束互動之適當模型，樣品參數便可具確定性(例如，膜厚度、CD、SWA等等)或統計性(例如，側壁粗糙度之rms高度、粗糙度相關長度等等)。

模型建立及分析引擎150藉由橫向饋送(feed sideways)分析、前向饋送分析及並行分析之任何組合改良量測參數之準確度。橫向饋送分析指代採取關於相同樣品之不同區域之多個資料集及將自第一資料集判定之共同參數傳遞至第二資料集上以供分析。前向饋送分析指代採取關於不同樣品之資料集及使用一逐步複製確切參數前向饋送途徑前向傳遞共同參數以進行後續分析。並行分析指代對多個資料集並行或同時施加一非線性擬合方法論，其中在擬合期間耦合至少一共同參數。

多個工具及結構分析指代基於迴歸、一査詢表(即，「庫」匹配) 或多個資料集之另一擬合程序之一前向饋送分析、橫向饋送分析或並行分析。在2009年1月13日發佈之KLA-Tencor Corp.之美國專利第7,478,019號中描述用於多個工具及結構分析之例示性方法及系統，該案係以引用方式全部併入本文。

應認知，可藉由單個電腦系統130或替代地多個電腦系統130實行貫穿本發明描述之各種步驟。此外，該系統100之不同的子系統(諸如樣品定位系統140)可包含適用於實行本文中描述之步驟之至少一部分之一電腦系統。因此，前述描述不應被解譯為限制本發明，而僅僅係一圖解。進一步言之，該一或多個計算系統130可經組態以執行本文中描述之任何方法實施例之(若干)任何其他步驟。

此外，電腦系統130可以此項技術中熟知之任何方式通信地耦合至光學偵測器123、x光偵測器116、光學照明光學器件122及x光照明光學器件115。例如，該一或多個計算電腦130可耦合至分別與該光學偵測器123、該x光偵測器116、該光學照明光學器件122及該x光照明光學器件115相關聯之計算系統。在另一實例中，可藉由耦合至電腦系統130之一單個電腦系統直接控制該光學偵測器123、該x光偵測器116、該光學照明光學器件122及該x光照明光學器件115之任一者。

該組合計量系統100之電腦系統130可經組態以藉由可包含有線部分及/或無線部分之一傳輸媒體自該系統之子系統(例如，光學偵測器123、x光偵測器116、光學照明光學器件122及x光照明光學器件115等等)接收及/或獲取資料或資訊。以此方式，該傳輸媒體可用作該電腦系統130與該系統100之其他子系統之間之一資料鏈路。

該組合計量系統100之電腦系統130可經組態以藉由可包含有線部分及/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、模型化結果等等)。以此方式，該傳輸媒體可用作該電腦系統130與其他系統(例如，板上記憶體計量系統100、外部記憶體或外部系統)之間之一資料鏈路。例如，該計算系統130可經組態以經由一資料鏈路自一儲存媒體(即，記憶體132或記憶體180)接收量測資料(例如，信號124及126)。例如，使用x光偵測器116及光學偵測器123之任一者之一光譜儀獲得之光譜結果可儲存在一永久或半永久記憶體裝置(例如，記憶體132或180)中。在此方面，可自板上記憶體或一外部記憶體系統匯入光譜結果。此外，該電腦系統116可經由一傳輸媒體發送資料至其他系統。例如，藉由電腦系統130判定之樣品參數值170可儲存在一永久或半永久記憶體裝置(例如，記憶體180)中。在此方面，可對另一系統匯出量測結果。

計算系統130可包含(但不限於)一個人電腦系統、主機電腦系統、工作站、影像電腦、平行處理器或此項技術中熟知的任何其他裝置。一般而言，術語「計算系統」可經廣泛定義以涵蓋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何裝置。

可經由諸如一導線、電纜或無線傳輸鏈路之一傳輸媒體傳輸實施諸如本文中描述之方法之程式指令134。例如，如圖1中圖解說明，儲存於記憶體132中之程式指令係經由匯流排133傳輸至處理器131。程式指令134係儲存在一電腦可讀媒體(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。

在一些實施例中，如本文中描述之一組合x光及光學分析係實施為一製造程序工具之部分。製造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，一組合x光及光學分析之結果係用以控制一製造程序。在一實例中，將自一或多個目標收集之x光及光學量測資料發送至一製造程序工具。如本文中描述般分析該x光及光學量測資料且使用結果以調整該製造程序工具之操作。

圖4圖解說明適用於藉由本發明之組合計量系統100實施之一方法200。在一態樣中，應認知可經由藉由計算系統130之一或多個處理器執行之一預程式化演算法實行方法200之資料處理方塊。雖然下列描述係在組合計量系統100之背景內容下提呈，但是在本文中應認知組合計量系統100之特定結構態樣並不表示限制且應僅解譯為闡釋性。

在方塊201中，藉由一x光照明光束及一光學照明光束同時照明一樣品，使得該x光照明光束與光學照明光束在空間上重疊於該樣品之一表面上之一所要檢驗區域處。

在方塊202中，回應於入射在該樣品上之光學照明光束偵測來自該樣品之光學輻射量。

在方塊203中，回應於入射在該樣品上之x光照明光束偵測來自該樣品之x光輻射量。

在方塊204中，產生指示樣品之一性質之一第一輸出信號。該第一輸出信號係回應於偵測到的光學輻射量而產生。

在方塊205中，產生指示與方塊204中相同之樣品之性質之一第二輸出信號。該輸出信號係回應於偵測到的x光輻射量而產生。

圖5圖解說明適用於藉由本發明之組合計量系統100實施之一方法300。在一態樣中，應認知可經由藉由計算系統130之一或多個處理器執行之一預程式化演算法實行方法300之資料處理方塊。雖然下列描述係在組合計量系統100之背景內容下提呈，但是在本文中應認知組合計量系統100之特定結構態樣並不表示限制且應僅解譯為闡釋性。

在方塊301中，產生一樣品之一結構之一幾何模型。藉由一x光照明光束及一光學照明光束同時照明該結構，使得該x光照明光束與該光學照明光束在空間上重疊於該樣品之一表面上之一所要檢驗區域處。

在方塊302中，至少部分基於該幾何模型產生一光學回應模型及一x光回應模型。該光學回應模型及該x光回應模型二者皆包含來自該幾何模型之至少一共同幾何參數。

在方塊303中，接收指示回應於該光學照明光束偵測來自樣品之光學輻射量之一第一信號。

在方塊304中，接收指示回應於該x光照明光束偵測來自樣品之x光輻射量之一第二信號。

在方塊305中，基於使用該光學回應模型對該第一信號之擬合分析及使用該x光回應模型對該第二信號之擬合分析來判定至少一樣品參數值。

在方塊306中，將該樣品參數值儲存在一記憶體(例如，記憶體132)中。

如本文中描述，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、光柵高度等等)、任何兩個或更多個結構之間之一臨界尺寸(例如，兩個結構之間的距離)及兩個或更多個結構之間之一位移(疊對光柵結構之間的疊對位移等等)。結構可包含三維結構、圖案化結構、疊對結構等等。

如本文中描述，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。

如本文中描述，術語「計量系統」包含至少部分用以在任何態樣(包含臨界尺寸應用及疊對計量應用)特性化一樣品之任何系統。然而，此等專門術語並不限制如本文中描述之術語「計量系統」之範疇。此外，該計量系統100可經組態以量測圖案化晶圓及/或未經圖案化之晶圓。該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、宏觀檢驗工具或或多模式檢驗工具(涉及同時來自一或多個平台之資料)及獲利於基於臨界尺寸資料對系統參數的校準之任何其他計量或檢驗工具。

本文針對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)描述各種實施例。術語「樣品」在本文中係用以指代一晶圓、一倍縮光罩或可藉由此項技術中熟知之方式處理(例如，印刷或檢驗缺陷)之任何其他樣品。

如本文中使用，術語「晶圓」大體上指代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。此等基板通常可在半導體製造設施中找到及/或處理。在一些情況中，一晶圓可僅包含基板(即，裸晶圓)。替代地，一晶圓可包含形成於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「經圖案化」或「未經圖案化」。例如，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」可為在一倍縮光罩製造程序之任何階段之一倍縮光罩或可或不一定經釋放以於一半導體製造設施中使用之一完成倍縮光罩。一倍縮光罩或一「遮罩」大體上被定義為具有形成於其上且以一圖案組態之實質上不透明區域之一實質上透明基板。該基板可包含(例如)諸如非晶SiO₂之一玻璃材料。可在一微影程序之一曝光步驟期間將一倍縮光罩安置在一覆蓋有光阻之晶圓上方，使得可將該倍縮光罩上之圖案轉印至光阻。

形成於一晶圓上之一或多個層可經圖案化或未經圖案化。例如，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最終可導致完成的裝置。可在一晶圓上形成許多不同類型的裝置，且如本文中使用的術語晶圓旨在涵蓋其上製造此項技術中熟知之任何類型的裝置之一晶圓。

在一或多項例示性實施例中，可將所描述的功能實施於硬體、軟體、韌體或其等之任何組合中。若實施於軟體中，則功能可作為一或多個指令或程式碼儲存在一電腦可讀媒體上或經由該電腦可讀媒體傳輸。電腦可讀媒體包含電腦儲存媒體及通信媒體二者，通信媒體包含促進將一電腦程式自一位置傳送至另一位置之任何媒體。一儲存媒體可為可藉由通用或專用電腦存取之任何可用媒體。舉例而言(且不限於)，此電腦可讀媒體可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光碟儲存器、磁碟儲存器或其他磁性儲存裝置，或可用以攜載或儲存呈指令或資料結構之形式之所要程式碼及可藉由一通用或專用電腦或一通用或專用處理器存取之任何其他媒體。再者，任何連接亦可適當地稱為一電腦可讀媒體。例如，若軟體係使用一同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數位用戶線(DSL)或諸如紅外線、無線電及微波之無線技術自一網站、伺服器或其他遠端源傳輸，則同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL或諸如紅外線、無線電及微波之無線技術包含於媒體之定義中。如本文中使用，磁碟及光碟包含光碟(CD)、雷射光碟、光碟、數位多功能光碟(DVD)、軟碟及藍光光碟，其中磁碟通常磁性地重現資料而光碟使用雷射光學地重現資料。上述組合應亦包含於電腦可讀媒體之範疇內。

雖然上文已針對指導目的描述某些特定實施例，但是本專利文獻之教示具有一般適用性且不限於上述特定實施例。因此，在不脫離如申請專利範圍中陳述之本發明之範疇之情況下，可實踐該等所述實施例之各種特徵之各種修改、調適及組合。