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TWI753030B - 用於x 射線散射測量系統之全光束度量 - Google Patents

用於x 射線散射測量系統之全光束度量 Download PDF

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TWI753030B
TWI753030B TW106135633A TW106135633A TWI753030B TW I753030 B TWI753030 B TW I753030B TW 106135633 A TW106135633 A TW 106135633A TW 106135633 A TW106135633 A TW 106135633A TW I753030 B TWI753030 B TW I753030B
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陶德斯 傑拉德 佐拉
約翰 Ｊ 漢琪
安德烈 維德曼
瑟吉 札盧博史基
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美商克萊譚克公司
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Abstract

本文中描述用於藉由全光束X射線散射測量而特性化半導體裝置之尺寸及材料性質的方法及系統。一全光束X射線散射測量量測涉及使用一X射線光束照明一樣本且同時針對相對於該樣本之一或多個入射角偵測所得零繞射級及較高繞射級之強度。直射光束及經散射級之同時量測實現具有經改良準確度之高處理量量測。全光束X射線散射測量系統包含：一或多個光子計數偵測器，該一或多個光子計數偵測器具有高動態範圍；及厚、高吸收性晶體基板，其等吸收具有最小寄生反向散射之直射光束。在其他態樣中，基於零繞射級光束執行基於模型之量測，且基於該經量測零級光束之性質估計及控制該全光束X射線散射測量系統之量測效能。

Description

用於X射線散射測量系統之全光束度量
所描述實施例係關於度量系統及方法，且更特定言之係關於用於改良量測準確度之方法及系統。
通常藉由應用於一樣品之一系列處理步驟而製造半導體裝置，諸如邏輯及記憶體裝置。藉由此等處理步驟而形成半導體裝置之各種特徵及多個結構層級。例如，其中微影係一種涉及在一半導體晶圓上產生一圖案之半導體製程。半導體製程之額外實例包含(但不限於)化學機械拋光、蝕刻、沈積及離子植入。多個半導體裝置可製造於一單一半導體晶圓上且接著分離成個別半導體裝置。
在一半導體製程期間之各個步驟使用度量程序以偵測晶圓上之缺陷以促進較高良率。通常使用數種基於度量之技術(包含散射測量與反射測量實施方案以及相關聯之分析演算法)來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測量臨界尺寸(SCR)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)邁向更小奈米級尺寸，特性化變得更困難。併入複雜三維幾何形狀及具有多種物理性質之材料的裝置造成特性化困難。例如，現代記憶體結構常常係高高寬比、三維結構，此使得光學輻射難以穿透至底層。利用紅外光至可見光之光學度量工具可穿透諸多半透明材料層，但提供良好穿透深度之較長波長不提供對小異常之足夠靈敏度。另外，特性化複雜結構(例如，FinFET)所需之增大數目個參數導致參數相關性增加。因此，特性化目標之參數常常無法可靠地脫離可用量測。
在一個實例中，已採用較長波長(例如，近紅外)以試圖克服利用多晶矽作為堆疊中之一個替代材料之3D FLASH裝置之穿透問題。然而，3D FLASH之鏡狀結構隨著照明更深地傳播至膜堆疊中而固有地引起減小之光強度。此引起深度下之靈敏度損耗及相關性問題。在此案例中，SCD僅能夠依高靈敏度及低相關性成功提取一精簡組之度量尺寸。
在另一實例中，在現代半導體結構中愈來愈多地採用不透明高k材料。光學輻射通常無法穿透由此等材料構成之層。因此，使用薄膜散射測量工具(諸如橢偏儀或反射計)之量測變得愈來愈具挑戰性。
回應於此等挑戰，已開發更複雜的光學度量工具。舉例而言，已開發具有多個照明角度、較短照明波長、較廣照明波長範圍及自反射信號之更完整資訊擷取(例如，除了較習知的反射率或橢偏測量信號之外，亦量測多個穆勒(Mueller)矩陣元素)之工具。然而，此等方法未可靠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度粗糙度量測)相關聯之根本挑戰。
原子力顯微鏡(AFM)及掃描穿隧顯微鏡(STM)能夠達成原子解析度但 其等僅可探測樣品之表面。另外，AFM及STM顯微鏡需要長掃描時間。掃描電子顯微鏡(SEM)達成中間解析度位準，但無法穿透結構至足夠深度。因此，未良好特性化高高寬比孔。另外，樣品所需之充電對成像效能具有一不利影響。X射線反射計亦遭受當量測高高寬比結構時限制其等之有效性之穿透問題。
為了克服穿透深度問題，結合破壞性樣本製備技術(諸如聚焦離子束(FIB)加工、離子銑削、毯覆式或選擇性蝕刻等)採用傳統成像技術(諸如TEM、SEM等)。舉例而言，透射電子顯微鏡(TEM)達成高解析度位準且能夠探測任意深度，但TEM需要樣品之破壞性分段。材料移除及量測之若干反覆通常提供遍及一三維結構量測臨界度量參數所需之資訊。然而，此等技術需要樣本破壞及長程序時間。完成此等類型之量測之複雜性及時間歸因於蝕刻及度量步驟之漂移而引入大的不準確度。另外，此等技術需要引入對位誤差之若干反覆。
X射線散射測量系統有希望解決具挑戰性之量測應用。然而，當前實施方案阻擋零級光且僅收集經散射級。此方法引入多個缺點。首先，未同時收集直射光束及經散射級。其次，由於直射光束比經收集之經散射級亮諸多級，故丟失高信雜比(SNR)光束及系統資訊。最後，丟失嵌入根據散射角變化之總經散射光中的信號資訊。
儘管具有此等缺點，但只要入射通量極穩定或良好地特性化，依賴於經散射級之量測僅提供足夠信號資訊來判定一些所關注樣品性質。在一些實例中，週期性地量測入射通量，使得可在量測中校正通量偏差。然而，在一些量測應用中，此方法過慢、不夠準確或兩者兼而有之。
在當前X射線散射測量系統中，出於若干理由而阻擋直射光束。其中 一個理由係：可用偵測器不能夠解析具有大動態範圍之信號。在典型半導體量測應用中，經散射信號通常比直射光束小五個至七個數量級。另外，相對高通量直射光束可將電荷陷獲於偵測器中或使感測器飽和超過破壞臨限值。
為了進一步改良裝置效能，半導體產業繼續關注於垂直整合而非橫向按比例調整。因此，複雜、完全三維結構之準確量測對確保可行性及持續按比例調整改良係至關重要的。未來度量應用歸因於愈來愈小之解析度要求、多參數相關性、愈來愈複雜之幾何結構(包含高高寬比結構)及不透明材料之愈來愈多的使用而提出度量挑戰。因此，期望用於改良X射線散射測量量測之方法及系統。
本文中描述用於藉由全光束X射線散射測量而特性化半導體裝置之尺寸及材料性質的方法及系統。
在一項態樣中，一全光束X射線散射測量量測涉及使用一X射線光束照明一樣本且同時針對相對於該樣本之一或多個入射角偵測所得零繞射級及較高繞射級之強度。直射光束及經散射級之同時量測實現具有經改良準確度之高處理量量測。
在另一態樣中，一全光束X射線散射測量系統包含：一或多個光子計數偵測器，該一或多個光子計數偵測器具有高動態範圍(例如，大於105)；及厚、高吸收性晶體基板，其等吸收不具破壞且具有最小寄生反向散射之直射光束。在一些實施例中，一單一光子計數偵測器偵測經偵測光子之位置及數目。在一些實施例中，X射線偵測器解析一或多個X射線光子能量。
在一進一步態樣中，相對於傳入X射線掃描偵測器以減輕來自入射零級光束之破壞或過度充電。
在另一進一步態樣中，基於經量測零級光束形狀而對偵測器上之重疊繞射級解卷積。
在另一進一步態樣中，在量測期間提取零級光束輪廓以減輕量測期間之漂移。
在另一進一步態樣中，相對於經量測零級光束而估計較高繞射級之強度。在一些實施例中，藉由簡單強度除法或以其他方式相對於經量測零級而估計各較高繞射級之強度。以此方式，顯著降低與相對弱、較高級信號相關聯之量測不確定性。
在另一態樣中，基於經量測零級光束之性質而估計全光束X射線散射測量系統之量測品質及效能。零級光束之經量測性質包含(但不限於)光束形狀、強度、位置、輪廓、傾斜度、旋轉、非對稱性或其等任何組合。
在一進一步態樣中，基於經量測零級光束而控制度量系統之量測品質及效能。在一些實例中，前文中所描述之量測品質及效能的估計提供為至一回饋控制器之輸入。該回饋控制器傳達控制命令，該等控制命令導致度量系統之一或多個元件的狀態之改變，以改良量測系統品質及效能。
在一些實例中，基於度量之全光束X射線散射測量涉及藉由使用經量測資料反解一預定量測模型而判定樣本之尺寸。該量測模型包含數個(10之數量級)可調整參數且表示樣品之幾何與光學性質及量測系統之光學性質。反解法包含(但不限於)基於模型之迴歸、層析成像、機器學習或其等任何組合。以此方式，藉由對最小化經量測之散射X射線強度與經模型化結果之間的誤差之一參數化量測模型的值求解而估計目標輪廓參數。
在另一進一步態樣中，經量測零級強度在迴歸期間提供為至量測模型之輸入。
在另一進一步態樣中，在與度量目標之一基於模型的量測相關聯之量測模型中考量經量測級之發散。
在另一進一步態樣中，一度量系統經組態以產生一樣品之一經量測結構之一結構模型(例如，幾何模型、材料模型或組合的幾何及材料模型)，自該結構模型產生包含至少一個幾何參數之一全光束X射線散射測量回應模型，且藉由使用回應模型執行量測資料之一擬合分析而解析至少一個樣品參數值。以此方式，經模擬全光束X射線散射測量信號與經量測資料之一比較實現諸如電子密度及元素識別及樣本之組合物之幾何以及材料性質之判定。
在進一步態樣中，基於依入射X射線光束相對於量測目標之一單一定向執行之全光束X射線散射測量量測來判定一或多個所關注參數之值之一初始估計。該初始估計值實施為針對使用依多個定向自量測收集之量測資料之量測模型之一迴歸之所關注參數之起始值。以此方式，使用相對少量之運算工作量判定一所關注參數之一接近估計，且藉由將此接近估計實施為針對一更大資料集內之一迴歸之起始點，使用較少總體運算工作量獲得該所關注參數之一細化估計。
在一進一步態樣中，使用全光束X射線散射測量量測資料以基於該等經偵測繞射級之該等經量測強度產生一經量測結構之一影像。在一些實施例中，一般化一回應函數模型以描述自一通用電子密度網之散射。使此模型與經量測信號匹配同時約束此網中之模型化電子密度以實施連續及稀疏邊緣提供該樣本之一三維影像。
前述係發明內容且因此必然含有細節之簡化、概括及省略；因此，熟習此項技術者將瞭解，發明內容僅係闡釋性且不以任何方式限制。本文中所述之裝置及/或程序之其他態樣、發明特徵及優點將在本文中所陳述之非限制性詳細描述中變得顯而易見。
100:度量系統
101:樣品/晶圓
102:檢驗區域
110:X射線照明源/X射線照明系統
111:液體金屬容器
112:液體金屬收集器
113:電子光束源
114:電子光學裝置
115:X射線光學裝置
116:X射線偵測器
117:X射線照明光束
118:電子流
119:液體金屬噴流
125:X射線輻射
126:輸出信號/經量測全光束X射線散射測量信號/量測資料
130:運算系統/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
140:樣品定位系統/晶圓定位系統
141:邊緣夾持卡盤
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:結構模型建立模組
152:結構模型
153:全光束X射線散射測量回應函數建立模組
155:全光束X射線散射測量回應函數模型
157:擬合分析模組
160:真空腔室
161:真空窗
162:真空環境
163:真空腔室
164:真空窗
165:真空環境
170:樣品參數值
171:影像
172:影像
173:圖表
174:曲線
175:曲線
176:曲線
177:曲線
180:記憶體
190:三維(3D)快閃記憶體裝置
200:度量系統
300:方法
301:方塊
302:方塊
303:方塊
310:高高寬比孔結構陣列
311:平面
312:平面
313:平面
314:平面
320:理想高寬比孔結構
321:傾斜孔結構
322:逐漸傾斜孔結構
α:傾斜角
α1:傾斜角參數
α2:傾斜角參數
α3:傾斜角參數
Φ:角度
θ:角度
圖1係繪示經組態以根據本文中所描述之方法執行全光束X射線散射測量量測的一度量系統100之一圖。
圖2係繪示在另一實施例中經組態以根據本文中所描述之方法執行全光束X射線散射測量量測的一度量系統200之一圖。
圖3描繪由一全光束度量系統(諸如度量系統100)量測之經散射級的一影像171。
圖4描繪由一全光束度量系統(諸如度量系統100)量測之經散射級的一影像172。
圖5描繪與圖4中所描繪之影像172的橫截面C相關聯之強度輪廓的一圖表173。
圖6描繪根據入射角變化之一零級光束的散射效率。
圖7描繪根據入射角變化之若干較高級的散射效率。
圖8係繪示與樣品101分離之真空環境中所含的度量系統100及200之元件的一圖。
圖9係繪示經組態以根據本文中所描述之方法基於全光束X射線散射測量資料而解析樣品參數值的一模型建立及分析引擎150之一圖。
圖10A至圖10C分別描繪以本文中所描述之方式經受量測的一典型3D快閃記憶體裝置190之一等角視圖、一俯視圖及一橫截面視圖。
圖11描繪依由角度Φ及θ描述之一特定定向入射於晶圓101上的X射線照明光束117。
圖12描繪一高高寬比孔結構陣列310之一俯視圖。
圖13A描繪一理想高寬比孔結構320之一側視圖。
圖13B描繪一傾斜孔結構321之一側視圖。
圖13C描繪一逐漸傾斜孔結構322之一側視圖，其中傾斜度隨深度逐漸增大。
圖14描繪繪示基於如本文中所描述之全光束X射線散射測量量測而量測結構的一實例性方法300之一流程圖。
相關申請案之交叉參考
本專利申請案根據35 U.S.C.§119規定主張2016年10月18日申請之美國臨時專利申請案第62/409,758號的優先權，該案之標的物之全文以引用方式併入本文中。
現在將詳細參考本發明之背景實例及一些實施例，在隨附圖式中繪示其等之實例。
本文中描述用於藉由全光束X射線散射測量而特性化半導體裝置之尺寸及材料性質的方法及系統。採用此等系統及技術來量測與不同半導體製程相關聯之結構及材料特性。在一些實例中，採用全光束X射線散射測量來量測高高寬比半導體結構之臨界尺寸、厚度、疊對及材料性質，包含但不限於自旋轉移力矩隨機存取記憶體(STT-RAM)、三維NAND記憶體(3D-NAND)或垂直NAND記憶體(V-NAND)、動態隨機存取記憶體(DRAM)、三維快閃記憶體(3D-FLASH)、電阻性隨機存取記憶體(Re- RAM)及相變隨機存取記憶體(PC-RAM)。
在一態樣中，一全光束X射線散射測量量測涉及使用一X射線光束照明一樣本且同時針對相對於該樣本之一或多個入射角偵測所得零繞射級及較高繞射級之強度。直射光束及經散射級之同時量測實現具有經改良準確度之高處理量量測。在一些實施例中，0級光束係藉由在無規範光束擋塊之情況下執行量測而變得可用。
使用高亮度、全光束X射線散射測量使高通量X射線輻射能夠穿透至目標之不透明區域中。使用全光束X射線散射測量之可量測幾何參數的實例包含孔徑、孔密度、線邊緣粗糙度、線寬粗糙度、側壁角、輪廓、臨界尺寸、疊對、邊緣放置誤差及節距。一可量測材料參數之一實例包含電子密度。在一些實例中，全光束X射線散射測量能夠量測小於10nm之特徵以及其中需要量測幾何參數及材料參數之先進半導體結構，諸如STT-RAM、V-NAND、DRAM、PC-RAM及Re-RAM。
典型X射線散射測量系統採用一光束擋塊來阻擋零級光束，同時收集較高繞射級。然而，在諸多半導體度量應用中，此防止成功量測。對於處理流程之後段製程(BEOL)部分中的邏輯裝置以及處理流程之前段製程(FEOL)部分中的記憶體(例如，VNAND及DRAM)，圖案節距值係使得使用典型CD-SAXS系統，1繞射級及零級在偵測上經歷大量空間重疊。若使用一光束擋塊來拒斥零級，則亦拒斥1級光束之一部分。此引起1級光束強度量測之一誤差及依賴於1級光束之任何X射線散射測量量測的一誤差。通常，1級光束具有遠大於較高級光束之繞射效率。因此，1級光束對量測成功係至關重要的。在無1級光束之情況下，量測必須僅依賴於較高級。此顯著增加達成適當信雜比(SNR)之量測時間，因為高於1之級的繞射效 率遠弱於1繞射級。
圖1繪示用於根據本文中提出之例示性方法量測一樣品之特性之一度量工具100之一實施例。如圖1中展示，系統100可用於在安置於一樣品定位系統140上之一樣品101之一檢測區域102上方執行全光束X射線散射測量量測。在一些實施例中，檢測區域102具有80微米或更小之一光點大小。在一些實施例中，檢測區域102具有50微米或更小之一光點大小。在一些實施例中，檢測區域102具有40微米或更小之一光點大小。
在所描繪之實施例中，度量工具100包含經組態以產生適合於全光束X射線散射測量量測之X射線輻射之一X射線照明源110。在一些實施例中，X射線照明系統110經組態以產生在0.01奈米與1奈米之間之波長。X射線照明源110產生入射於樣品101之檢測區域102上之一X射線光束117。
一般言之，可設想能夠在足以實現高處理量、線內度量之通量位準下產生高亮度X射線之任何適合高亮度X射線照明源供應用於全光束X射線散射測量量測之X射線照明。在一些實施例中，一X射線源包含使X射線源能夠依不同可選擇波長遞送X射線輻射之一可調諧單色器。
在一些實施例中，採用發射具有大於15keV之光子能量之輻射之一或多個X射線源以確保X射線源依容許穿過整個裝置以及晶圓基板的充分透射之波長供應光。藉由非限制性實例，一粒子加速器源、一液體陽極源、一旋轉陽極源、一固定固體陽極源、一微聚焦源、一微聚焦旋轉陽極源及一逆康普頓(Compton)源之任何者可用作X射線照明源110。在一個實例中，可設想可購自(美國)加利福尼亞州帕洛阿爾托市(Palo Alto)之Lyncean Technologies,Inc.之一逆康普頓源。逆康普頓源具有能夠在光子 能量之一範圍內產生X射線，藉此使X射線源能夠依不同可選擇波長遞送X射線輻射之一額外優點。
例示性X射線源包含經組態以轟擊固體或液體目標以模擬X射線輻射之電子束源。圖2描繪用於根據本文中提出之例示性方法量測一樣品之特性之一度量工具200。度量工具100及200之相同數字之元件類似。然而，在圖2中描繪之實施例中，X射線照明源110係一基於液體金屬之X射線照明系統。一液體金屬噴流119自一液體金屬容器111產生且收集於一液體金屬收集器112中。一液體金屬循環系統(未展示)將由液體金屬收集器112收集之液體金屬返回至液體金屬容器111。液體金屬噴流119包含一或多個元素。藉由非限制性實例，液體金屬噴流119包含鋁、鎵、銦、錫、鉈及鉍之任何者。以此方式，液體金屬噴流119產生對應於其成分元素之X射線線。在一項實施例中，液體金屬噴流包含鎵及銦合金。在一些實施例中，X射線照明系統110經組態以產生在0.01奈米與1奈米之間之波長。一電子束源113(例如，電子槍)產生由電子光學器件114引導至液體金屬噴流119之一電子流118。適合電子光學器件114包含用於聚焦電子束且將束引導於液體金屬噴流處之電磁鐵、永久磁鐵或電磁鐵及永久磁鐵之一組合。液體金屬噴流119及電子流118之重合產生入射於樣品101之檢測區域102上之一X射線光束117。
在2011年4月19日頒予KLA-Tencor公司之美國專利第7,929,667號中描述用於產生高亮度、液體金屬X射線照明之方法及系統，該專利之全文以引用方式併入本文中。
在一項實施例中，入射X射線光束117在24.2keV之銦kα線處。使用用於全光束X射線散射測量量測之多層X射線光學器件將X射線光束向下 準直至小於1毫弧度發散。
在一些實施例中，在不使用定位於X射線源與所量測樣品之間之一螢幕之情況下達成本文中描述之X射線散射量測。在此等實施例中，在入射角、多個波長或兩者之一組合之一範圍內之全光束之經量測強度提供足夠資訊，以解析經量測結構之一所要材料性質(例如，複折射率、電子密度或吸收率)之一分佈圖(即，影像)。然而，在一些其他實例中，一針孔或另一孔徑定位於處於X射線源與所量測樣品之間之一另外不透明螢幕上以改良X射線光束之準直。針對孔徑之若干位置量測繞射圖案之強度。在一些其他實施例中，使用具有一偽隨機孔徑圖案之一螢幕且針對多個螢幕量測繞射圖案。亦可設想此等方法提供額外資訊以解析經量測結構之所要材料性質之三維分佈。
在一些實施例中，入射X射線光束之輪廓受控於兩個或更多個孔徑、狹縫或其等組合。在一進一步實施例中，孔徑、狹縫或兩者經組態以協同樣品之定向旋轉以針對各入射角、方位角或兩者最佳化入射光束之輪廓。
如圖1中描繪，X射線光學器件115塑形入射X射線光束117且將入射X射線光束117引導至樣品101。在一些實例中，X射線光學器件115包含一X射線單色器以使入射於樣品101上之X射線光束單色化。在一個實例中，採用一晶體單色器(諸如一Loxley-Tanner-Bowen單色器)以使X射線輻射之光束單色化。在一些實例中，X射線光學器件115使用多層X射線光學器件將X射線光束117準直或聚焦至樣品101之檢測區域102上至小於1毫弧度發散。在一些實施例中，X射線光學器件115包含一或多個X射線準直鏡、X射線孔徑、X射線光束光闌、折射X射線光學器件、繞射光學器件(諸如波帶片)、鏡面X射線光學器件(諸如掠入射橢球面鏡)、多毛細管光 學器件(諸如中空毛細管X射線波導)、多層光學器件或系統或其等之任何組合。在美國專利公開案第2015/0110249號中描述進一步細節，該案之內容以全文引用的方式併入本文中。
一般言之，針對各量測應用最佳化照明光學器件系統之焦平面。以此方式，系統100經組態以取決於量測應用而將焦平面定位於樣品內之各種深度處。
X射線偵測器116收集自樣品101散射之X射線輻射125且根據一全光束X射線散射測量量測模態產生指示對入射X射線輻射靈敏之樣品101的性質之一輸出信號126。在一些實施例中，由X射線偵測器116收集經散射X射線125，同時樣品定位系統140定位且定向樣品101以產生經角度解析之經散射X射線。
在一項態樣中，一全光束X射線散射測量系統包含：一或多個光子計數偵測器，該一或多個光子計數偵測器具有高動態範圍(例如，大於105)；及厚、高吸收性晶體基板，其等吸收不具破壞且具有最小寄生反向散射之直射光束(即，零級光束)。在一些實施例中，一單一光子計數偵測器偵測經偵測光子之位置及數目。
全光束X射線散射測量需要收集零級光束以及較高繞射級。零級光束係比其他級密集達若干數量級。若零級光束未完全吸收於偵測器之X射線敏感區段中，則其將散射且產生寄生信號。此等寄生信號之強度限制量測之動態範圍。例如，若寄生信號係最大通量信號(即，零級信號)之10-4，則將污染與諸多較高級相關聯之信號。因此，至關重要的是，偵測器(例如，偵測器116)展現X射線至電子電洞對之高轉換效率及高X射線吸收以增大全光束度量之有效動態範圍。
適於全光束X射線散射測量之例示性偵測器材料包含碲化鎘(CdTe)、鍺(Ge)及砷化鎵(GaAs)晶體等。在一些實施例中，偵測器材料經選擇以在對應於源能量之一窄能量帶中提供高轉換效率。
在一些實施例中，偵測器材料之厚度經選擇以達成傳入X射線之所要吸收。在一些實施例中，偵測器相對於傳入X射線光束(各種繞射級)傾斜以增大X射線光束穿過偵測器材料之路徑長度，且因此增加總吸收量。
在一些實施例中，採用雙臨限偵測器來改良SNR。
在一進一步態樣中，X射線偵測器解析一或多個X射線光子能量且產生用於各X射線能量組件、指示樣品性質之信號。在一些實施例中，X射線偵測器116包含一CCD陣列、一微通道板、一光電二極體陣列、一微帶比例計數器、一充氣比例計數器、一閃爍器或一螢光材料之任一者。
以此方式，除像素位置及計數外，亦由能量區別偵測器內之X射線光子互動。在一些實施例中，藉由比較X射線光子互動之能量與一預定上臨限值及一預定下臨限值而區別X射線光子互動。在一項實施例中，經由輸出信號126將此資訊傳達至運算系統130以用於進一步處理及儲存。
在一進一步態樣中，相對於傳入X射線掃描偵測器以減輕來自入射零級光束之破壞或過度充電。在一些實施例中，相對於傳入X射線掃描偵測器以避免零級光束停留於偵測器表面上之一特定位置上達一延長時間週期。在一些其他實施例中，相對於傳入X射線週期性地移動偵測器以避免使零級光束停留於偵測器表面上之一特定位置上達一延長時間週期。在一些實施例中，掃描或週期性移動近似垂直於傳入X射線。在一些實施例中，移動係旋轉的(例如，偵測器經旋轉使得偵測器表面上之一特定位置在空間中描繪出一圓)。在一些實施例中，移動係將零級光束之入射點移 動至偵測器表面上之各種不同位置的平移移動之一組合。
在一進一步態樣中，採用一全光束X射線散射測量系統以基於多個經量測繞射級(包含零級經散射光)而判定一樣品之性質(例如，結構參數值)。如圖1中所描繪，度量工具100包含一運算系統130，採用該運算系統130以擷取由偵測器116產生之信號126且至少部分基於經擷取信號而判定樣品之性質。
在一全光束X射線散射測量量測中，一高高寬比、垂直製造結構將一經準直X射線光束繞射成繞射級。各繞射級沿一特定、可預測方向行進。繞射級之角間距與樣品之晶格常數除以波長成反比。由放置於距晶圓某一距離處之一偵測器陣列偵測繞射級。偵測器之各像素輸出指示命中像素之光子的數目之一信號。
繞射級之強度具有I(m,n,θ,Φ,λ)形式，其中{m,n}係繞射級之整數指數，{θ,Φ}係入射光束之仰角及方位角(即，入射主射線相對於固定至晶圓之一座標系統的極座標)，且λ係入射X射線之波長。
在照明光來開照明且朝向樣品傳播時，若干雜訊源擾動照明光。例示性干擾包含電子束電流波動、溫度引發光學漂移等。經擾動入射通量被表示為F0(1+n1)。
目標以取決於入射光束之方位角及仰角的一方式使入射輻射散射。光散射成級(m,n)之效率可被定義為Smn(θ,Φ)。在經繞射光自樣品傳播至偵測器時，光束穿過類似地影響所有級且具有一些變動(1+n2)及寄生雜訊(n3)之其他散射介質。以此方式，以時間t量測之各級的總強度Imn可由方程式(1)表達。
Figure 106135633-A0305-02-0018-1
圖3描繪由一全光束度量系統(諸如度量系統100)量測之經散射級的一影像171。如圖3中所繪示，影像中心中之亮光點與零級光束相關聯。
可以諸多方式提取各級之強度。在一些實施例中，繞射級可在偵測器處空間分離。在此等實施例中，由偵測器陣列個別地偵測繞射級，且組合(即，添加)與相同繞射級相關聯之像素的輸出。以此方式，藉由累積與各特定繞射級相關聯之像素的光子計數而區別經偵測繞射級。此案例更有可能在量測相對小節距特徵時或在使用具有一相對小發散之一光束量測時發生。
在一些其他實施例中，繞射級在偵測器處空間重疊且無法僅組合像素輸出以判定與一特定繞射級相關聯之強度。在此等實施例中，採用一量測模型以對繞射級解卷積以區別各經偵測繞射級之經量測強度。此案例更有可能在量測相對大節距特徵時或在使用具有一相對大發散之一光束量測時發生。
在一進一步態樣中，基於經量測零級光束形狀而對經重疊級解卷積。在一些實施例中，即時執行此解卷積。基於零級光束之輪廓而模型化較高經繞射級(即，大於零之級)之光束輪廓。圖4描繪由一全光束度量系統(諸如度量系統100)量測之經散射級的一影像172。圖5描繪與圖4中所描繪之影像172的橫截面C相關聯之強度輪廓的一圖表173。相對高強度零級光束提供用來模型化較高繞射級之一極準確光束輪廓。
在另一進一步態樣中，在量測期間提取零級光束輪廓以減輕量測期間之漂移。
在一些實施例中，在光束路徑中無目標的情況下量測零級光束輪廓。在一些實施例中，在光束路徑中具有一非散射目標的情況下量測零級 光束輪廓使得零繞射級係在偵測器上量測之唯一光束。在一些實施例中，在具有已知散射性質之一已知目標的情況下量測零級光束輪廓。
在另一進一步態樣中，基於經量測零級光束而估計較高繞射級之強度。在一些實施例中，藉由簡單強度除法或以其他方式相對於經量測零級而估計各較高繞射級之強度。以此方式，顯著降低與相對弱、較高級信號相關聯之量測不確定性。
藉由基於同時經量測零級光束而估計較高繞射級之強度，在資料收集期間使散射信號與資料系統擾動分離。即時減輕歸因於光學組件(例如，狹縫、光學器件、光點形狀)之未對準之擾動及沿光束路徑(例如，n1及n2)之擾動。藉由使用所有經散射強度(包含零級)，使經散射強度對經量測樣品之厚度或材料密度的相依性與晶圓之前及之後的通量擾動隔離。
對於一組入射角{θ,Φ}，經量測樣品之散射效率使經提取散射強度與度量目標之幾何形狀及材料相關。圖6描繪根據入射角θ變化之零級光束S00的散射效率。S00取決於入射角，因為穿過目標之透射在較高入射角下歸因於路徑長度增大而減小。此外，S00取決於入射角，因為在入射角與目標散射(例如，法向入射)對準時能量離開零級且進入較高繞射級。
圖7描繪根據入射角θ而變化之若干較高級的散射效率。曲線174描繪S11，曲線175描繪S13，曲線176描繪S20，且曲線177描繪S22。所有較高級之散射強度通常取決於散射深度或密度。一般言之，零級之散射效率隨著散射深度增大而減小，同時每隔一個經繞射級之散射效率隨著散射深度增大而增大。
基於同時經量測零級光束而估計較高繞射級之強度亦增大量測信號對雜訊比(SNR)。此能夠更精確地量測散射深度及材料密度，且因此更精 確地估計目標輪廓。
在一些實例中，基於度量之全光束X射線散射測量涉及藉由使用經量測資料反解一預定量測模型而判定樣本之尺寸。該量測模型包含數個(10之數量級)可調整參數且表示樣品之幾何與光學性質及量測系統之光學性質。反解法包含(但不限於)基於模型之迴歸、層析成像、機器學習或其等任何組合。以此方式，藉由對最小化經量測之散射X射線強度與經模型化結果之間的誤差之一參數化量測模型的值求解而估計目標輪廓參數。
在另一進一步態樣中，經量測零級強度在迴歸期間提供為至量測模型之輸入。在未量測零級時，總通量之值必須連同其他模型參數浮動。此導致一精確度損耗。此外，對於除零級外之所有經散射級，經散射強度僅根據散射對比度(即，材料之折射率之間的差)而變化。然而，對於零級，經散射強度根據折射率之絕對值(即，非差值)而變化。此額外資訊改良量測精確度。
在另一進一步態樣中，在與度量目標之一基於模型的量測相關聯之量測模型中考量經量測級之發散。在一些實例中，經解析光束具有一像素相依散射效率，因為各像素係歸因於系統發散而稍有不同之入射角{θ,Φ}的一平均值。本發明者已發現，可藉由基於全光束X射線散射測量而最佳化基於模型之量測的發散來減小量測時間。過少發散導致量測時間增加且過多發散導致量測精確度過度相關及損耗。
在另一態樣中，基於經量測零級光束之性質估計全光束X射線散射測量之量測品質及效能。零級光束之經量測性質包含(但不限於)光束形狀、強度、位置、輪廓、傾斜度、旋轉、非對稱性或其等任何組合。
在一些實例中，基於由偵測器偵測到之所有光之一總和而估計照明 源之亮度。在無外部擾動之情況下，總經量測通量僅取決於目標吸收。在一些實例中，在無目標之情況下執行量測。在此等實例中，總經量測通量提供源亮度之一直接估計。在一些其他實例中，採用具有已知吸收特性之一目標。在此等實例中，基於由已知目標吸收校正之經量測通量而估計源亮度。
在一些實例中，基於由偵測器偵測到之所有光之一總和而估計系統之透射效率。在此等實例中，在由照明源發射之光離開照明源時但在與照明光學器件相互作用之前量測該光。另外，加總由偵測器偵測到之光。在偵測器處偵測到之光與由照明源發射之光之間的通量之比率提供光學系統之透射效率的一估計。在一些實例中，在無目標之情況下執行量測。在一些其他實例中，採用具有已知吸收特性之一目標。
在一些實例中，基於零級光束入射於偵測器上之位置而估計偵測器與光束軸之相對對準。
在一些實例中，基於在偵測器處量測之零級光束的形狀(例如，非對稱性、粗糙度、旋轉)而估計光學子系統之缺陷或未對準。可以此方式特性化光束塑形光學器件、狹縫、孔徑、照明源等之缺陷或未對準。在諸多實例中，一照明光學器件之斜率誤差自身表現為在偵測器處偵測到之光束形狀的精細結構。經偵測光束形狀之小變動對應於光束在照明光學器件上之位置。另外，藉由監測歸因於相對於歸因於狹縫之尖銳邊緣的位置之光學斜率誤差的精細結構之位置而確定光束在狹縫上之位置。
在一進一步態樣中，基於經量測零級光束而控制度量系統之量測品質及效能。在一些實例中，前文中所描述之量測品質及效能之估計提供為至一回饋控制器(例如，運算系統130)之輸入。該回饋控制器傳達控制命 令，該等控制命令導致度量系統之一或多個元件的狀態之改變，以改良量測系統品質及效能。
在一些實例中，將控制命令提供至照明源。作為回應，照明源之電狀態經調整以改變經掃描光點大小及形狀、照明功率、光點偏移、入射角等。
在一些實例中，將控制命令提供至控制度量系統之一或多個光學元件的位置之一或多個定位裝置。作為回應，一或多個定位裝置改變一或多個光學元件之一位置/定向以調整入射角、照明源與照明光學器件之間的焦距、光束定位、光束光點在光學器件上之位置，以最小化表面粗糙度之效應等。
一般言之，可在光束路徑中存在一目標之情況下或在光束路徑中不存在一目標之情況下執行如本文中所描述之量測品質及效能的估計及控制。
在一進一步態樣中，在提供足夠解析度及穿透深度以透過其等整個深度特性化高高寬比結構之一入射角範圍內執行全光束X射線散射測量量測。
收集根據相對於晶圓表面法線之X射線入射角而變化的經繞射輻射之強度的量測。多個繞射級中所含有之資訊在考量中之各模型參數之間通常係獨有的。因此，X射線散射產生具有小誤差及減小之參數相關性的針對所關注參數之值的估計結果。
在一些實施例中，X射線偵測器116維持於相同於樣品101之大氣環境(例如，氣體沖洗環境)中。然而，在一些實施例中，樣品101與X射線偵測器116之間的距離係長的且環境干擾(例如，空氣紊流)給經偵測信號帶 來雜訊。因此，在一些實施例中，X射線偵測器之一或多者維持於藉由一真空窗而與樣品(例如，樣品101)分離之一局部真空環境中。
類似地，在一些實施例中，X射線照明源110、照明光學器件115或兩者維持於相同於樣品101之大氣環境(例如，氣體沖洗環境)中。然而，在一些實施例中，X射線照明源110與照明光學器件115之間的光學路徑長度及照明光學器件115與樣品101之間的光學路徑長度係長的且環境干擾(例如，空氣紊流)給照明光束帶來雜訊。因此，在一些實施例中，X射線照明源、照明光學器件115或兩者維持於藉由一真空窗而與樣品(例如，樣品101)分離之一局部真空環境中。
圖8係繪示在一項實施例中含有X射線照明源110及照明光學器件115之一真空腔室160及含有X射線偵測器116之一真空腔室163的一圖。在一較佳實施例中，真空腔室160包含X射線照明源110與樣品101之間的光學路徑之一實質部分，且真空腔室163包含樣品101與X射線偵測器116之間的光學路徑之一實質部分。真空腔室160及真空腔室163之一開口分別由真空窗161及164覆蓋。真空窗161及164可由對X射線輻射實質上透明之任何合適材料(例如，鈹)構成。在照明光束117朝向樣品101傳播時，其穿過真空窗161。在與樣品101相互作用之後，經散射X射線輻射125穿過真空窗164，進入真空腔室160且入射於X射線偵測器116上。一合適真空環境162維持於真空腔室160內以最小化對照明光束117之干擾，且一合適真空環境165維持於真空腔室163內以最小化對經散射X射線輻射125之干擾。一合適真空環境可包含任何合適位準之真空、任何合適沖洗環境(包含一惰性氣體(例如，氦))或其等任何組合。以此方式，儘可能多的光束路徑定位於真空中以最大化通量且最小化擾動。
在一些實施例中，整個光學系統(包含樣品101)維持於真空中。然而，一般言之，歸因於與樣品定位系統140之構造相關聯的複雜度，與將樣品101維持於真空中相關聯之成本係高的。
在另一進一步態樣中，運算系統130經組態以產生一樣品之一經量測結構的一結構模型(例如，幾何模型、材料模型或經組合幾何及材料模型)，產生包含來自結構模型之至少一個幾何參數的一全光束X射線散射測量回應模型且藉由使用全光束X射線散射測量回應模型對全光束X射線散射測量量測資料執行一擬合分析而解析至少一個樣品參數值。使用分析引擎以比較經模擬全光束X射線散射測量信號與經量測資料，藉此允許判定幾何以及材料性質，諸如樣本之電子密度。在圖1中所描繪之實施例中，運算系統130經組態為一模型建立及分析引擎，該模型建立及分析引擎經組態以實施如本文中所描述之模型建立及分析功能。
圖9係繪示由運算系統130實施之一實例性模型建立及分析引擎150的一圖。如圖9中所描繪，模型建立及分析引擎150包含產生一樣品之一經量測結構的一結構模型152之一結構模型建立模組151。在一些實施例中，結構模型152亦包含樣品之材料性質。接收結構模型152作為至全光束X射線散射測量回應函數建立模組153之輸入。全光束X射線散射測量回應函數建立模組153至少部分基於結構模型152而產生一全光束X射線散射測量回應函數模型155。在一些實例中，全光束X射線散射測量回應函數模型155係基於X射線形狀因數
Figure 106135633-A0305-02-0025-3
 其中F係形狀因數，q係散射向量，且ρ(r)係球面座標中樣品之電子密度。接著藉由下列方程式給定X射線散射強度
Figure 106135633-A0305-02-0026-4
接收全光束X射線散射測量回應函數模型155作為至擬合分析模組157之輸入。擬合分析模組157比較經模型化全光束X射線散射測量回應與對應經量測資料以判定樣品之幾何以及材料性質。
在一些實例中，藉由最小化一卡方值而達成經模型化資料至實驗資料之擬合。例如，對於全光束X射線散射測量量測，一卡方值可被定義為
Figure 106135633-A0305-02-0026-29
其中，
Figure 106135633-A0305-02-0026-9
係在「通道」j中之經量測全光束X射線散射測量信號126，其中指數j描述一組系統參數，諸如繞射級、能量、角座標等。
Figure 106135633-A0305-02-0026-10
(v1 ,...,vL)係針對一組結構(目標)參數v1 ,...,vL估計之「通道」j之經模型化全光束X射線散射測量信號Sj，其中此等參數描述幾何(CD、側壁角、疊對等)及材料(電子密度等)。σSAXS,j係與第j個通道相關聯之不確定性。NSAXS係X射線度量中之通道的總數目。L係特性化度量目標之參數的數目。
方程式(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相關之實例中，可計算不確定性之間之一協方差。在此等實例中，針對全光束X射線散射測量量測之一卡方值可表達為
Figure 106135633-A0305-02-0026-6
其中vSAXS係SAXS通道不確定性之協方差矩陣且T表示轉置。
在一些實例中，擬合分析模組157藉由使用全光束X射線散射測量回應模型155對全光束X射線散射測量量測資料126執行一擬合分析而解析至少一個樣品參數值。在一些實例中，最佳化
Figure 106135633-A0305-02-0026-7
。
如前文描述，藉由最小化卡方值而達成全光束X射線散射測量資料之擬合。然而，一般言之，可藉由其他函數達成全光束X射線散射測量資料之擬合。
全光束X射線散射測量度量資料之擬合對於提供對所關注幾何及/或材料參數之靈敏度之任何類型之全光束X射線散射測量技術係有利的。樣品參數可係確定性(例如，CD、SWA等)或統計性(例如，側壁粗糙度之均方根高度、粗糙度相關性長度等)，只要使用描述與樣品之全光束X射線散射測量光束互動之適當模型。
一般言之，運算系統130經組態以採用即時臨界尺寸(RTCD)即時存取模型參數，或其可存取預運算模型庫以判定與樣品101相關聯之至少一個樣品參數值之一值。一般言之，可使用某個形式之CD引擎以評估一樣品之經指派CD參數同與經量測樣品相關聯之CD參數之間之差異。在2010年11月2日頒予KLA-Tencor Corp.之美國專利第7,826,071號中描述用於運算樣品參數值之例示性方法及系統，該專利之全文以引用的方式併入本文中。
在一些實例中，模型建立及分析引擎150藉由側饋分析、前饋分析及平行分析之任何組合而改良經量測參數之準確度。側饋分析係指在相同樣品之不同區域上獲取多個資料集且將自第一資料集判定之共同參數傳遞至第二資料集上以用於分析。前饋分析係指在不同樣品上獲取資料集且使用一逐步複製精確參數前饋方法將共同參數正向傳遞至後續分析。平行分析係指將一非線性擬合方法平行或同時應用至多個資料集，其中在擬合期間耦合至少一個共同參數。
多工具及結構分析係指基於迴歸、一查找表(即，「庫」匹配)或多個 資料集之另一擬合程序之一前饋、側饋或平行分析。在2009年1月13日頒予KLA-Tencor Corp.之美國專利第7,478,019號中描述用於多工具及結構分析之例示性方法及系統，該專利之全文以引用的方式併入本文中。
在一個進一步態樣中，度量工具100包含經組態以實施如本文中描述之光束控制功能性之一運算系統(例如，運算系統130)。在圖1中描繪之實施例中，運算系統130經組態為可操作以控制諸如入射照明光束117之強度、發散、光點大小、偏光、光譜及定位之任何照明性質之一光束控制器。
如圖1中繪示，運算系統130通信耦合至偵測器116。運算系統130經組態以自偵測器116接收量測資料126。在一個實例中，量測資料126包含樣品之經量測回應之一指示(即，繞射級之強度)。基於經量測回應在偵測器116之表面上之分佈，藉由運算系統130判定照明光束117入射於樣品101上之位置及區域。在一個實例中，藉由運算系統130應用圖案識別技術以基於量測資料126判定照明光束117入射於樣品101上之位置及區域。在一些實例中，運算系統130將命令信號136傳達至照明光學器件115以選擇所要照明波長且重新引導且重新塑形照明光束117，使得入射照明光束117到達相對於樣品101之所要位置及角定向。在一些其他實例中，運算系統130將一命令信號傳達至晶圓定位系統140以定位且定向樣品101，使得入射照明光束117到達相對於樣品101之所要位置及角定向。在一些其他實例中，運算系統130將一命令信號136傳達至X射線照明源110以選擇所要照明波長且重新引導且重新塑形照明光束117，使得入射照明光束117到達相對於樣品101之所要位置及角定向。
在一些實施例中，可期望依由繞由圖1中描繪之座標系統146指示的x 軸及y軸之旋轉描述的不同定向執行量測。此藉由擴展可用於分析之資料集的數目及多樣性以包含各種大角度、平面外定向而增大經量測參數之精確度及準確度且減少參數之間的相關性。量測具有一較深、較多樣資料集之樣品參數亦減少參數之間的相關性且改良量測準確度。舉例而言，依一法向定向，全光束X射線散射測量能夠解析一特徵之臨界尺寸，但對於一特徵之側壁角及高度在很大程度上不靈敏。然而，藉由收集在平面外角位置之一廣範圍內的量測資料，可解析一特徵之側壁角及高度。
如圖1中繪示，度量工具100包含經組態以在相對於散射計之平面外角定向之一大範圍內對準樣品101且定向樣品101兩者之一樣品定位系統140。換言之，樣品定位系統140經組態以使樣品101繞與樣品101之表面平面內對準之一或多個旋轉軸在一大角度範圍內旋轉。在一些實施例中，樣品定位系統140經組態以使樣品101繞與樣品101之表面平面內對準之一或多個旋轉軸在至少90度之一範圍內旋轉。在一些實施例中，樣品定位系統經組態以使樣品101繞與樣品101之表面平面內對準之一或多個旋轉軸在至少60度之一範圍內旋轉。在一些其他實施例中，樣品定位系統經組態以使樣品101繞與樣品101之表面平面內對準之一或多個旋轉軸在至少1度之一範圍內旋轉。以此方式，藉由度量系統100在樣品101之表面上之任何數目個位置上方收集樣品101之角度解析量測。在一個實例中，運算系統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產生命令信號至樣品定位系統140之各種致動器以達成樣品101之所要定位。
藉由非限制性實例，如圖1中繪示，樣品定位系統140包含一邊緣夾持卡盤141以將樣品101固定附接至樣品定位系統140。一旋轉致動器142 經組態以使邊緣夾持卡盤141及經附接樣品101相對於一周邊框架143旋轉。在所描繪之實施例中，旋轉致動器142經組態以使樣品101繞圖1中繪示之座標系統146之x軸旋轉。如圖1中描繪，樣品101繞z軸之一旋轉係樣品101之一平面內旋轉。繞x軸及y軸(未展示)之旋轉係相對於度量系統100之度量元件有效傾斜樣品之表面之樣品101之平面外旋轉。雖然未繪示一第二旋轉致動器，但第二旋轉致動器經組態以使樣品101繞y軸旋轉。一線性致動器144經組態以在x方向上平移周邊框架143。另一線性致動器(未展示)經組態以在y方向上平移周邊框架143。以此方式，樣品101之表面上之每一位置可用於在平面外角位置之一範圍內之量測。舉例而言，在一項實施例中，在相對於樣品101之法向定向-45度至+45度之一範圍內之若干角度增量內量測樣品101之一位置。
一般言之，樣品定位系統140可包含機械元件之任何適合組合以達成所要線性及角度定位效能，包含(但不限於)測角器台、六足台、角度台及線性台。
在進一步態樣中，基於依入射X射線光束相對於量測目標之一單一定向執行之全光束X射線散射測量量測來判定一或多個所關注參數之值之一初始估計。初始估計值實施為針對使用依多個定向自全光束X射線散射測量量測收集之量測資料之量測模型之一迴歸之所關注參數之起始值。以此方式，使用相對少量之運算工作量判定一所關注參數之一接近估計，且藉由將此接近估計實施為針對一大得多的資料集內之一迴歸之起始點，使用較少總體運算工作量獲得所關注參數之一細化估計。
在一進一步態樣中，使用全光束X射線散射測量量測資料以基於經偵測繞射級之經量測強度產生一經量測結構之一影像。在一些實施例中，一 般化一全光束X射線散射測量回應函數模型以描述自一通用電子密度網之散射。使此模型與經量測信號匹配，同時約束此網中之模型化電子密度以實施連續及稀疏邊緣提供樣本之一三維影像。
雖然基於模型之幾何參數反演對於基於全光束X射線散射測量量測之臨界尺寸(CD)度量較佳，但自相同全光束X射線散射測量量測資料產生之樣品之一圖可用於當經量測樣品偏離幾何模型之假定時識別且校正模型誤差。
在一些實例中，比較影像與由相同散射測量量測資料之一基於模型之幾何參數反演估計之結構特性。使用差異以更新經量測結構之幾何模型且改良量測效能。收斂於一準確參數量測模型之能力在量測積體電路以控制、監測且故障查找其等之製程時尤其重要。
在一些實例中，影像係電子密度、吸收性、複折射率或此等材料特性之一組合之一二維(2-D)圖。在一些實例中，影像係電子密度、吸收性、複折射率或此等材料特性之一組合之一三維(3-D)圖。使用相對少的物理約束產生該圖。在一些實例中，直接自所得圖估計一或多個所關注參數，諸如臨界尺寸(CD)、側壁角(SWA)、疊對、邊緣放置誤差、節距游動(pitch walk)等。在一些其他實例中，圖可用於當樣本幾何形狀或材料偏離至由用於基於模型之CD量測之一參數結構模型所設想之預期值之範圍之外時對晶圓程序除錯。在一個實例中，使用圖與由參數結構模型根據其之經量測參數預測之結構之一演現之間之差異，以更新參數結構模型且改良其之量測效能。在美國專利公開案第2015/0300965號中描述進一步細節，該案之內容以全文引用的方式併入本文中。在美國專利公開案第2015/0117610號中描述額外細節，該案之內容以全文引用的方式併入本 文中。
在一進一步態樣中，採用模型建立及分析引擎150以產生針對組合的X射線及光學量測分析之模型。在一些實例中，光學模擬係基於(例如)嚴格耦合波分析(RCWA)，其中求解馬克士威(Maxwell)方程式以計算光學信號，諸如針對不同偏光之反射率、橢偏測量參數、相位變化等。
基於使用一組合的幾何參數化回應模型之依複數個不同入射角之X射線繞射級之經偵測強度及經偵測光學強度之一組合擬合分析來判定一或多個所關注參數之值。藉由可整合或可未整合一X射線度量系統(諸如分別在圖1及圖2中描繪之系統100及200)機械的一光學度量工具量測光學強度。在美國專利公開案第2014/0019097號及美國專利公開案第2013/0304424號中描述進一步細節，該等案之各者之內容以全文引用的方式併入本文中。
如本文中描述，依照明X射線光束相對於半導體晶圓之表面法線之多個定向執行全光束X射線散射測量量測。藉由晶圓101相對於X射線照明光束之任何兩個角旋轉描述各定向或反之亦然。在一個實例中，可關於固定至晶圓之一座標系統描述定向。圖11描繪依由角度Φ及θ描述之一特定定向入射於晶圓101上之X射線照明光束117。座標系XYZ固定至度量系統且座標系X’Y’Z’固定至晶圓101。Z與法向於晶圓101之表面之一軸對準。X及Y在與晶圓101之表面對準之一平面中。類似地，Z’與法向於晶圓101之表面之一軸對準，且X’及Y’在與晶圓101之表面對準之一平面中。如圖11中描繪，X射線照明光束117位於X’Z’平面內。角度Φ描述X射線照明光束117相對於X’Z’平面中之晶圓之表面法線之定向。此外，角度θ描述X’Z’平面相對於XZ平面之定向。θ及Φ一起獨有界定X射線照明光束117相對於 晶圓101之表面之定向。在此實例中，由繞法向於晶圓101之表面之一軸(即，Z軸)之一旋轉及繞與晶圓101之表面對準之一軸(即，Y’軸)之一旋轉描述X射線照明光束相對於晶圓101之表面之定向。在一些其他實例中，由繞與晶圓101之表面對準之一第一軸及與晶圓101之表面對準且垂直於第一軸之另一軸之一旋轉描述X射線照明光束相對於晶圓101之表面之定向，如參考圖1描述。
在一些實施例中，如本文中描述之度量目標特性化全光束X射線散射測量量測定位於在被量測晶圓之一刻劃道內。在此等實施例中，度量目標經定大小以配合於刻劃道之寬度內。在一些實例中，刻劃道寬度小於80微米。在一些實例中，刻劃道小於50微米。一般言之，半導體製造中採用之刻劃道之寬度趨於較小。
在一些實施例中，藉由如本文中描述之度量目標特性化之全光束X射線散射測量量測定位於在被量測晶圓之一作用晶粒區域內且係一功能積體電路之一部分(例如，記憶體、影像感測器、邏輯裝置等)。
一般言之，較佳照明光束光點大小緊密匹配被量測度量目標之橫向尺寸，以最小化來自被量測度量目標周圍之結構之污染信號。在一些實施例中，被量測度量目標在任何橫向尺寸中小於70微米。在一些實施例中，被量測度量目標在任何橫向尺寸中小於50微米。在一些實施例中，被量測度量目標在任何橫向尺寸中小於40微米。在一些實施例中，被量測度量目標在任何橫向尺寸中小於10微米。在一些實施例中，被量測度量目標藉由大於1微米之一總體高度(或等效地，深度)特性化。在一些實施例中，被量測度量目標藉由大於2微米之一總體高度(或等效地，深度)特性化。
一般言之，一度量目標藉由定義為度量目標之一最大高度尺寸(即， 法向於晶圓表面之尺寸)除以一最大橫向範圍尺寸(即，與晶圓表面對準之尺寸)之一高寬比特性化。在一些實施例中，被量測度量目標具有至少20之一高寬比。在一些實施例中，度量目標具有至少40之一高寬比。
圖10A至圖10C分別描繪以本文中描述之方式經受量測之一典型3D快閃記憶體裝置190之一等角視圖、一俯視圖及一橫截面視圖。記憶體裝置190之總高度(或等效地，深度)在自1微米至若干微米之範圍內。記憶體裝置190係一垂直製造裝置。一垂直製造裝置(諸如記憶體裝置190)將一習知平坦記憶體裝置基本上轉動90度，使位元線及單元串垂直定向(垂直於晶圓表面)。為了提供足夠記憶體容量，大量不同材料之交替層沈積於晶圓上。此需要圖案化程序針對具有100奈米或更少之一最大橫向範圍之結構適當執行至若干微米之深度。因此，25比1或50比1之高寬比並非罕見。
圖12描繪一高高寬比孔結構陣列310之一俯視圖。如圖7中描繪，沿著平面311、312、313及314(自圖向內及向外延伸)最緊密圖案化孔結構陣列。在一些實施例中，較佳依入射X射線照明光束相對於位於其中最緊密圖案化一高高寬比結構陣列之平面內之被量測晶圓之表面之定向執行如本文中描述之高高寬比結構之量測。在圖12中描繪之實例中，較佳將X射線照明提供至在其中最緊密圖案化孔結構陣列之平面311及312及313及314內之孔結構陣列310。
圖13A描繪一理想高高寬比孔結構320之一側視圖。圖13B描繪一傾斜孔結構321之一側視圖。圖13C描繪一逐漸傾斜孔結構322之一側視圖，其中傾斜度隨深度逐漸增大。在諸多實例中，不期望孔結構321及322。在一些實施例中，類似於孔結構321及322之孔結構藉由如本文中所描述之全光束X射線散射測量量測而特性化。在一個實例中，孔結構321藉由 一傾斜角參數α而特性化。此外，依相對於表面法線之一角度Φ且依相反角度-Φ將X射線照明光束117提供至孔結構321，如(例如)參考圖11描述。在一些實施例中，在此兩個照明案例中發生之經量測T-SAX信號之差異提供足夠信號資訊以準確估計傾斜角度α。
在另一實例中，孔結構322之分段藉由若干傾斜角度參數α1、α2及α3特性化。類似地，按相對於表面法線之一角度Φ且按相反角度-Φ將X射線照明光束117提供至孔結構322，如(例如)參考圖11描述。在一些實施例中，在此兩個照明案例中發生之經量測T-SAX信號之差異提供足夠信號資訊以準確估計傾斜角度α1、α2及α3。
應認知，可由一單一電腦系統130或替代地一多電腦系統130實行貫穿本發明描述之各種步驟。再者，系統100之不同子系統(諸如樣品定位系統140)可包含適合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，不應將前述描述解譯為對本發明之一限制，而僅為一闡釋。此外，一或多個運算系統130可經組態以執行本文中描述之任何方法實施例之任何(若干)其他步驟。
另外，電腦系統130可以此項技術中已知之任何方式通信耦合至偵測器116及照明光學器件115。舉例而言，一或多個運算系統130可耦合至分別與偵測器116及照明光學器件115相關聯之運算系統。在另一實例中，可藉由耦合至電腦系統130之一單一電腦系統直接控制偵測器116及照明光學器件115之任何者。
電腦系統130可經組態以藉由可包含有線及/或無線部分之一傳輸媒體自系統之子系統(例如，偵測器116及照明光學器件115及類似者)接收及/或擷取資料或資訊。以此方式，傳輸媒體可充當電腦系統130與系統100 之其他子系統之間之一資料鏈路。
度量系統100之電腦系統130可經組態以藉由可包含有線及/或無線部分之一傳輸媒體自其他系統接收及/或擷取資料或資訊(例如，量測結果、模型化輸入、模型化結果等)。以此方式，傳輸媒體可充當電腦系統130與其他系統(例如，記憶體板上度量系統100、外部記憶體或外部系統)之間之一資料鏈路。舉例而言，運算系統130可經組態以經由一資料鏈路而自一儲存媒體(即，記憶體132或180)接收量測資料(例如，信號126)。舉例而言，使用任何偵測器116之一光譜儀獲得之光譜結果可儲存於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，可自板上記憶體或自一外部記憶體系統匯入量測結果。再者，電腦系統130可經由一傳輸媒體而將資料發送至其他系統。舉例而言，由電腦系統130判定之樣品參數值170可儲存於一永久或半永久記憶體裝置(例如，記憶體180)中。在此方面，可將量測結果匯出至另一系統。
運算系統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已知之任何其他裝置。一般言之，術語「運算系統」可廣泛地定義為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方法之程式指令134。舉例而言，如圖1中繪示，經由匯流排133而將儲存於記憶體132中之程式指令傳輸至處理器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。
在一些實施例中，實施如本文中描述之一散射測量分析作為一製程 工具之部分。製程工具之實例包含(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，使用一全光束X射線散射測量分析之結果以控制一製程。在一個實例中，將自一或多個目標收集之全光束X射線散射測量量測資料發送至一製程工具。如本文中描述般分析全光束X射線散射測量量測資料且使用結果來調整製程工具之操作。
可使用如本文中描述之散射測量量測以判定各種半導體結構之特性。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、微影結構、基板穿孔(TSV)、記憶體結構(諸如DRAM、DRAM 4F2、FLASH、MRAM)及高高寬比記憶體結構。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、線寬度粗糙度、孔徑、孔密度、側壁角、輪廓、臨界尺寸、節距)及材料參數(諸如電子密度、組合物、晶粒結構、形態、應力、應變及元素識別)。
圖14繪示適於由本發明之度量系統100及200實施的一方法300。在一項態樣中，應認知，可經由由運算系統130之一或多個處理器執行的一預程式化演算法實行方法300之資料處理方塊。雖然在度量系統100及200之背景內容中提出下文描述，但本文中應認知，度量系統100及200之特定結構態樣不表示限制且應僅解譯為闡釋性。
在方塊301中，依相對於形成於一晶圓表面上之一量測目標的複數個不同定向使用X射線輻射之一經聚焦光束照明量測目標。
在方塊302中，回應於依各定向之X射線輻射之入射光束而同時偵測與自量測目標散射之一定量的輻射之一零繞射級相關聯之一強度及與一較高繞射級相關聯之一強度。
在方塊303中，基於依複數個定向之繞射級之經偵測強度判定與量測 目標之一模型相關聯之一所關注參數之一值。
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、光柵高度等)、任何兩個或兩個以上結構之間之一臨界尺寸(例如，兩個結構之間之距離)及兩個或兩個以上結構之間之一位移(例如，疊對光柵結構之間之疊對位移等)。結構可包含三維結構、圖案化結構、疊對結構等。
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「度量系統」包含至少部分採用以在任何態樣中特性化一樣品之任何系統，包含臨界尺寸應用及疊對度量應用。然而，此等技術術語不限制如本文中描述之術語「度量系統」之範疇。另外，本文中描述之度量系統可經組態以量測圖案化晶圓及/或未經圖案化晶圓。度量系統可組態為一LED檢測工具、邊緣檢測工具、背側檢測工具、巨集檢測工具或多模式檢測工具(涉及同時來自一或多個平台之資料)及受益於本文中描述之量測技術之任何其他度量或檢測工具。
本文中針對可用於處理一樣品之一半導體處理系統(例如，一檢測系統或一微影系統)描述各項實施例。術語「樣品」在本文中用以係指一晶圓、一倍縮光罩或可藉由此項技術中已知之構件處理(例如，印刷或檢測缺陷)之任何其他樣本。
如本文中使用，術語「晶圓」大體上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。此等基板通常可在半導體製造廠中找到及/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「經圖案化」或「未經圖案化」。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「倍縮光罩」可為處於一倍縮光罩製程之任何階段之一倍縮光罩，或為可或可不經釋放以於一半導體製造廠中使用之一完成倍縮光罩。一倍縮光罩或一「遮罩」大體上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射基板。基板可包含(例如)一玻璃材料，諸如非晶SiO2。可在一微影程序之一曝光步驟期間將一倍縮光罩安置於一覆蓋有光阻劑之晶圓上方，使得可將倍縮光罩上之圖案轉印至光阻劑。
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裝置。許多不同類型的裝置可形成於一晶圓上，且如本文中使用之術語晶圓意欲涵蓋其上製造此項技術中已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，所描述之功能可實施於硬體、軟體、韌體或其等之任何組合中。若在軟體中實施，則功能可作為一或多個指令或程式碼儲存於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兩者，包含促進一電腦程式自一位置至另一位置之傳送之任何媒體。一儲存媒體可為可藉由一通用電腦或專用電腦存取之任何可用媒體。舉例而言(且非限制)，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於載送或儲存呈指令或資料結構之形式之所要程式碼構件且可藉由一通用電腦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，任何連接可被適當地稱為一電腦可讀媒體。例如，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)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、XRF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用雷射光學地重現資料。上述組合亦應包含於電腦可讀媒體之範疇內。
儘管上文為指導目的而描述某些特定實施例，但本專利文獻之教示具有一般適用性且不限於上文中描述之特定實施例。因此，在不脫離如申請專利範圍中闡述之本發明之範疇之情況下，可實踐所描述之實施例之各種特徵之各種修改、調適及組合。
100‧‧‧度量系統
101‧‧‧樣品/晶圓
102‧‧‧檢驗區域
110‧‧‧X射線照明源/X射線照明系統
115‧‧‧X射線光學裝置
116‧‧‧X射線偵測器
117‧‧‧X射線照明光束
125‧‧‧X射線輻射
126‧‧‧輸出信號/經量測全光束X射線散射測量信號/量測資料
130‧‧‧運算系統/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
140‧‧‧樣品定位系統/晶圓定位系統
141‧‧‧邊緣夾持卡盤
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

Claims (20)

  1. 一種度量系統，其包括：一X射線照明源，其經組態以產生一定量的X射線輻射；一X射線照明光學器件子系統，其經組態以依相對於形成於一晶圓表面上之一量測目標的複數個定向使用該定量的X射線輻射照明該量測目標；一X射線偵測器，其經組態以回應於依各定向之入射X射線輻射而同時偵測與自該量測目標散射之一定量的輻射之一零繞射級相關聯之一強度及與一較高繞射級相關聯之一強度，其中該零繞射級及該較高繞射級對該複數個定向之至少一者在該X射線偵測器處重疊；及一運算系統，其經組態以：基於依該複數個不同定向之該等繞射級的該等經偵測強度而判定與該量測目標之一模型相關聯的一所關注參數之一值。
  2. 如請求項1之度量系統，其中該量測目標之該模型包含自該X射線照明源至該X射線偵測器之該X射線輻射之發散之一值。
  3. 如請求項1之度量系統，該運算系統進一步經組態以：基於該經偵測零繞射級之一性質而判定一量測品質及效能之指示。
  4. 如請求項3之度量系統，其中該量測品質及效能之指示係下列項之任一者：該X射線偵測器與該入射X射線輻射之一軸的一對準、該X射線照 明源之一亮度、及該X射線照明源、該X射線照明光學器件子系統之一元件或兩者之一對準。
  5. 如請求項3之度量系統，其中該運算系統進一步經組態以：基於該量測品質及效能之指示而將一命令信號傳達至該度量系統之一元件以調整該度量系統。
  6. 如請求項1之度量系統，其中該運算系統進一步經組態以：基於該零繞射級之一經量測光束輪廓而判定該較高繞射級之一光束輪廓之一模型。
  7. 如請求項1之度量系統，其中該運算系統進一步經組態以：藉由將該較高繞射級之該經量測強度除以該零繞射級之該經量測強度而估計相對於該零繞射級之該經量測強度之該較高繞射級之一強度。
  8. 如請求項1之度量系統，其中該X射線偵測器之一光敏體積包含碲化鎘、鍺、砷化鎵或其等任何組合。
  9. 如請求項1之度量系統，其中該量測目標包含一或多個高高寬比結構。
  10. 如請求項9之度量系統，其中該一或多個高高寬比結構係下列項之任一者：一自旋轉移力矩隨機存取記憶體(STT-RAM)、一三維NAND記憶 體(3D-NAND)、一動態隨機存取記憶體(DRAM)、一三維快閃記憶體(3D-FLASH)、電阻性隨機存取記憶體(Re-RAMPC)及一相變隨機存取記憶體(PC-RAM)。
  11. 一種度量系統，其包括：一X射線照明源，其經組態以產生一定量的X射線輻射；一X射線照明光學器件子系統，其經組態以依相對於形成於一晶圓表面上之一量測目標的複數個定向使用該定量的X射線輻射照明該量測目標；一X射線偵測器，其經組態以回應於依各定向之入射X射線輻射而同時偵測與自該量測目標散射之一定量的輻射之一零繞射級相關聯之一強度及與一較高繞射級相關聯之一強度；及一運算系統，其經組態以基於依該複數個不同定向之具有該零繞射級之該經偵測強度及該較高繞射級之該經偵測強度之該量測目標之一模型之一迴歸而判定與該量測目標之該模型相關聯之一所關注參數之一值。
  12. 如請求項11之度量系統，其中該零繞射級及該較高繞射級於該X射線偵測器處重疊。
  13. 如請求項11之度量系統，其中該量測目標之該模型包含自該X射線照明源至該X射線偵測器之該X射線輻射之發散之一值。
  14. 如請求項11之度量系統，該運算系統進一步經組態以： 基於該經偵測零繞射級之一性質而判定一量測品質及效能之指示。
  15. 如請求項11之度量系統，其中該運算系統進一步經組態以：基於該零繞射級之一經量測光束輪廓而判定該較高繞射級之一光束輪廓之一模型。
  16. 如請求項11之度量系統，其中該運算系統進一步經組態以：藉由將該較高繞射級之該經量測強度除以該零繞射級之該經量測強度而估計相對於該零繞射級之該經量測強度之該較高繞射級之一強度。
  17. 如請求項11之度量系統，其中該量測目標包含一或多個高高寬比結構。
  18. 如請求項17之度量系統，其中該一或多個高高寬比結構係下列項之任一者：一自旋轉移力矩隨機存取記憶體(STT-RAM)、一三維NAND記憶體(3D-NAND)、一動態隨機存取記憶體(DRAM)、一三維快閃記憶體(3D-FLASH)、電阻性隨機存取記憶體(Re-RAMPC)及一相變隨機存取記憶體(PC-RAM)。
  19. 如請求項11之度量系統，其中該運算系統進一步經組態以藉由將一般化作為一通用電子密度網之一全光束X射線散射測量回應函數模型與依該複數個不同定向之該等繞射級之該等經偵測強度匹配而基於依該複數個不同定向之該等繞射級之該等經偵測強度判定該量測目標之一多維影像。
  20. 一種度量系統，其包括：一X射線照明源，其經組態以產生一定量的X射線輻射；一X射線照明光學器件子系統，其經組態以依相對於形成於一晶圓表面上之一量測目標的複數個定向使用該定量的X射線輻射照明該量測目標；一X射線偵測器，其經組態以回應於依各定向之入射X射線輻射而同時偵測與自該量測目標散射之一定量的輻射之一零繞射級相關聯之一強度及與一較高繞射級相關聯之一強度；及一運算系統，其經組態以：基於該零繞射級之一經量測光束輪廓而判定該較高繞射級之一光束輪廓之一模型；及基於依該複數個不同定向之該等繞射級之該等經偵測強度而判定與該量測目標之一模型相關聯的一所關注參數之一值。
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