测量图案化结构的一个或多个特征时使用的方法和系统

摘要

提供一种测量图案化结构的一个或多个特征时使用的方法和系统。该方法利用第一测量数据和第二测量数据的处理，其中，第一测量数据指示在使用所选择的至少一种光学测量方案的测量下从图案化结构获得的至少一个拉曼光谱，所选择的至少一种光学测量方案各自具有与待测量的特征对应的照明和/或采集光条件的预定配置，并且第二测量数据包括在光学关键尺寸(OCD)测量会话中从图案化结构获得的至少一个光谱。处理包括对至少一个拉曼光谱和至少一个OCD光谱应用基于模型的分析并且确定在测量下的图案化结构的特征。

说明书

本申请是PCT申请号为PCT/IL2016/051350、申请日为2016年12月15日、发明名称为“混合计量方法与系统”的PCT申请的中国国家阶段申请的分案申请，该中国国家阶段申请进入国家阶段日为2018年8月14日、国家申请号为201680081813.5。

技术领域

本发明属于计量技术领域，具体地，用于测量诸如半导体晶片的图案化结构时使用的技术。本发明涉及一种实现混合计量技术的光学测量系统与方法。

背景技术

先进技术节点中的半导体器件设计的日益增长复杂性既涉及结构尺寸的减小又涉及器件设计的更高复杂性。用于该器件的尺寸特征的主流方法以光学计量解决方案(被广义定义为光学关键尺寸(OCD)计量)为基础。试样的光学反射率取决于测量结构的尺寸特征，允许通过适当的建模和解释工具从测量信号推断测量结构尺寸。

混合计量(HM)技术旨在通过组合来自不同工具集的信息而改善测量法的准确性、精度、或其他计量性能，以向包括FinFET器件(即，其中导电通道被形成器件本体的薄硅“鳍片”包围的场效应晶体管)的各种类型的复杂多堆栈结构提供增强的计量性能。

根据已知的HM解决方案，使用通过辅助工具集(典型地，关键尺寸扫描电子显微镜方法(CD-SEM))测量的信息作为关于主要工具集(典型地，光学关键尺寸(OCD))的建模分析的输入约束条件。

例如，被委托给本申请的代理人的WO 2011/158239描述了一种用于在图案化结构的计量中使用的系统和方法，包括数据输入实用程序(utility)与数据处理和分析实用程序，数据输入实用程序用于接收指示关于图案化结构的至少一部分的图像数据的第一类型的数据，并且数据处理和分析实用程序被配置为并且可操作为分析图像数据、并且确定结构中的图案的至少一个特征的几何模型、并且使用该几何模型确定关于指示图案化结构的光学测量的第二类型的数据的光学模型。在该技术中，通过创建组合模型，使用从两个工具测量的数据执行两个工具(OCD与CD-SEM工具)的解释模型的优化。

通常，使用通过辅助工具集(CD-SEM)测量的信息作为关于主要工具集(OCD)的建模分析的输入约束条件。这就是所谓的从一个工具集至另一工具集的数据的“顺次混合化”。尽管该顺次混合化一般是成功的，然而，存在不能充分或从根本上改进测量结果的情况。这是因为用于分析CD-SEM图像的“阈”参数不能以所测量的结构的良好定义高度提供CD值的读数，但是，所提供的CD值与不明确定义的高度对应，与诸如侧壁角度(SWA)等结构的其他参数相关联。

也被委托给本申请的代理人的WO 15/125127描述了能够去除上述关联以更好的匹配数据(至少两个工具之间，并且与参考系统之间)并且由此提供更好的混合计量结果的技术。该技术利用了基于所谓的“共同优化”的混合化的构思，其中，例如，通过来自主要工具OCD(散射测量)的剖面信息调制辅助工具(例如，CD-SEM、X射线工具)的图像分析参数，而通过例如CD-SEM的结果(CD)的相加同时优化(误差最小化)OCD提取的剖面。

发明内容

需要一种用于组合来自尺寸计量信息通道(即，OCD)以及材料与尺寸灵敏信息通道(即，拉曼光谱)的信息的新型解决方案。

这与当代制造技术的另一关键趋势相关联，当代制造技术涉及新材料的利用、以及这些材料的更多不同相及结构变化。材料性质的这种变化通常对其他(例如，光/电)属性产生影响，导致对光学尺寸计量质量产生负面影响。例如，组成、应力/应变、掺杂、以及结晶相全部对材料的光学性质(复杂折射指数‘n&k’)产生直接的影响。在不获知这些性质的情况下，光学计量解决方案将被劣化。

在这些情形中，以与尺寸计量工具可比较的吞吐量允许材料表征的计量解决方案具有高的潜在收益。而且，为了正确地‘引导’光学计量解决方案，单独区分与堆栈的不同部分相关联的材料性质的能力尤其重要。

当代尺寸计量的又一个共同趋势是对目标结构尺寸特征灵敏的、额外独立信息通道的需求。添加更多的这种通道提供了关于测量结构的支撑视角并且允许解决其曾经日益增加的复杂性。

OCD是在先进的半导体制造过程中主要利用的对于纳米结构的尺寸表征极为有用的技术。OCD基于以不同的波长、偏振、入射角等获取来自试样的一组反射信号。然后，将这些测量值与对应的一组模型化信号进行比较，从而表示来自某一假设的结构的期望信号。在该方面，仅能使用OCD表征已知的结构，粗略地已知关于该已知的结构的几何布局和材料性质。然后，反复修改测量信号的假设特征，直至测量值与模型之间获得拟合。

拉曼光谱法也是科学与计量的不同领域中广泛使用的技术。拉曼光谱携带了关于所探测的试样的各种性质的信息。最为显著的是，光谱中的不同峰对应于不同的材料。当测量目标包含材料化合物(例如，SiGe)时，拉曼光谱中的指定峰将对应于不同的原子对(例如，Si-Si、Si-Ge、以及Ge-Ge)。

在该关联中，参考图1，图1例示了来自沉淀在Si上的薄SiGe层的拉曼光谱(曲线图S

文献中已熟知用于从这些峰的位置提取关于浓度和应力的信息的方法。例如，在以下出版物：T.S.Perov et al.,Composition and strain in thin Si

掺杂是影响拉曼光谱的另一特征。由掺杂质分布引起的载体浓度影响拉曼信号并且引起拉曼峰的额外的(可论证地，小的)偏移。因此，可以将掺杂的水平结合到拟合程序中，并且通过监测峰位置可以同时评估掺杂水平以及应力与组成(例如，如下列公开：A.Perez-Rodriguez et al.,Effect of stress and composition on the Ramanspectra of etch-stop SiGeB layers,J.Appl.Phys.80,15(1996)中描述的)。

诸如组成、应变、以及掺杂等结构的性质影响结构的光学性质。图2示出了利用组成改变光学性质的实例。此处，提供Si

本发明提供一种用于组合来自OCD测量法(构成尺寸计量信息通道)和拉曼光谱(构成材料与尺寸灵敏信息通道)的信息的新型解决方案。为此，本发明利用建模引擎和算法工具正确地解释并且混合来自这两个通道的信息。建模引擎允许从给定的试样计算两个OCD光谱以及拉曼光谱，并且因此能提供关于测量法是否与测量器件的某一组假设的性质(几何学、材料性质)一致或不一致的反馈。相关的算法工具允许一种有效的优化方法来识别一组最佳的几何和/或材料性质，这将最小化测量至模型的误差。

根据本发明的一个广泛方面，提供一种用于测量图案化结构的一个或多个特征时使用的方法。方法包括：提供第一测量数据和第二测量数据，其中，第一测量数据指示在使用所选择的至少一种光学测量方案的测量下从图案化结构获得的至少一个拉曼光谱，至少一种光学测量方案各自具有与待测量的所述一个或多个特征对应的照明和采集光条件中的至少一个条件的预定配置；并且第二测量数据包括在光学关键尺寸(OCD)测量会话中从所述图案化结构获得的至少一个光谱；处理第一测量数据和第二测量数据，并且确定在测量下的结构的所述一个或多个特征，其中，所述处理包括：对至少一个拉曼光谱和所述至少一个OCD光谱应用基于模型的分析，并且确定在测量下的图案化结构的所述一个或多个特征。

在一些实施方式中，基于模型的分析包括同时分析至少一个拉曼光谱和指示一个OCD光谱并且确定在测量下的图案化结构的一个或多个特征。

优选地，第一测量数据指示在分别使用n种不同的光学测量方案的测量下从图案化结构获得的数量为n(n>l)的不同拉曼光谱，n种不同的光学测量方案具有与待测量的一个或多个特征对应的照明和采集光条件中的至少一个条件的不同配置。在这种情况下，也可以同时分析拉曼光谱和OCD光谱；或可替代地，可以顺次分析n个拉曼光谱并且推导图案化结构的一组参数，从而能够使用所推导的该组参数解释指示至少一个OCD光谱的第二测量数据。

从拉曼光谱数据的基于模型的分析计算出的结构的参数可以指示结构的尺寸配置。

使用该方法能确定的图案化结构的特征包括：尺寸和/或材料组成和/或应力和/或结晶度。

通过选择下列中的一项或多项限定照明和/或采集光条件的一个或多个预定配置：激发波长、偏振、入射角、方位角。

当使用一个以上拉曼光谱时，基于模型的分析可以包括下列：针对每第i个拉曼光谱，计算在测量下的结构的至少一部分上的拉曼贡献效率的分布RCE

本发明还提供一种用于测量图案化结构的一个或多个特征时使用的控制系统。控制系统被配置为完成上述方法并且包括处理器单元，处理器单元被配置为通过对其应用基于模型的分析并且确定在测量下的图案化结构的一个或多个特征而接收并且处理上述第一测量数据和第二测量数据。

本发明进一步提供一种用于测量图案化结构的一个或多个特征时使用的测量系统。测量系统包括：光学测量系统，被配置为并且可操作为使用所选择的至少一种光学测量方案对图案化结构执行光学测量，至少一种光学测量方案各自具有与待测量的所述一个或多个特征对应的照明和采集光条件中的至少一个条件的预定配置，并且产生指示图案化结构的光谱响应的测量数据包括至少一个拉曼光谱和指示一个OCD光谱；和上述控制系统，被配置为与光学测量系统进行数据通信，光学测量系统接收并且处理测量数据并且确定在测量下的图案化结构的一个或多个特征。

附图说明

为了更好地理解本文公开的主题并且例示实际上如何可以完成本主题，现将参考所附附图、仅通过非限制性实例的方式描述实施方式，在附图中：

图1例示了来自两个试样的拉曼光谱，一个试样是沉淀在Si之上的薄SiGe层，并且另一个试样是纯体Si；

图2例示了结构上的材料组成的变化对结构的光学性质的影响；

图3例示了Si中的单声子峰与两声子峰的相对强度的偏振的效应；

图4示意性地示出了本发明的利用拉曼信息通道和OCD信息通道的示例性计量方案/系统的配置和操作；

图5是在管理多个光学测量方案的同时实现图4中的混合计量方法的本发明的示例性系统的框图；

图6是本发明的利用拉曼光谱和OCD的混合计量的示例性方法的流程图；并且

图7例示了适合于本发明使用的方法，其中利用多个不同的信息拉曼通道的获取以使用不同的光学测量方案从相同的结构/相同的测量部位获得多个拉曼光谱。

具体实施方式

本发明提供这样一种新型的混合计量技术，即组合经由尺寸计量信息通道(OCD测量法)以及材料和尺寸灵敏信息通道(拉曼光谱)获得的测量法。

本发明提供一种新型的计量方法和器件，被配置为允许优化对所关注的试样特征的拉曼计量、以及优化使用OCD的尺寸计量，其可以在单一平台或在制造过程中共享信息的不同平台上实现。此外，本发明提供这样一组建模解决方案(方法与系统)，即，允许正确地利用这些方法及器件/系统配置的自由度、以及准确地解释拉曼测量。

本发明的上述两个方面可以单独使用，任一方面都具有实质性的潜在益处。相反，如下面将要讨论的，当一起使用时它们可以导致显著改进的计量性能。

下面是根据本发明的一些实施方式的使用拉曼通道和OCD通道的基于模型的混合计量的描述。

拉曼光谱学代表了一种独特类型的光-物质相互作用。拉曼光谱的不同部分对光学方案的变化具有不同的响应，具体地：照明和采集偏振/延迟的变化、照明和采集的入射角以及光瞳形状、波前、以及焦点的变化。

作为可能获益于这些参数中的一个或多个参数的正确操纵的实例，我们考虑两个声子背景的问题。如之前描述的，来自纯的大体积Si的拉曼光谱代表了约520cm

在大多数情况下，计量并不关注与2声子过程相关联的弱的拉曼信号。然而，该信号用作可以显著影响(并且混淆)拉曼光谱的解释的背景特征(signature)。通过对照明和采集偏振的正确控制，可以将1声子峰与2声子峰之间的相对强度修改几个数量级。

图3中示出了该依赖性，图3例示了Si中的单声子峰和两声子峰的相对强度的偏振的效应。示出了P

这仅是正确的偏振操纵如何能极大地改进信号质量以及隔离重要测量组件与不关注(不太关注)的测量组件的能力的一个实例。如下面将要描述的，相同的原理可以用来突出对关注的具体参数的灵敏度。

这样的简单方法应用于不是平面膜而是结构化膜的测量目标是不切实际的(并且甚至可能是不可能的)。结构内部的电磁场分布可能非常复杂，并且取决于结构尺寸以及材料特征。

本发明利用基于模型的解决方案，使得能够推导出拉曼信号对尺寸性质的依赖性。在本发明中，因为这两种技术基于利用试样对电磁相互作用进行建模并且能在极大的范围内利用相同的计算引擎(或者至少它们的共同模块)，所以这两种技术允许进行特定的整合。

该现实，即拉曼信号自身携带对尺寸参数的强烈与唯一的依赖性，允许一种新型的尺寸表征。在该解决方案中，从同一目标获得拉曼测量和OCD测量。然后，通过适当的建模和算法工具，(通过拟合程序)解决表征测量结构的关键尺寸、以及其一些材料特征的反面问题。在该方面，将额外的拉曼光谱信息视为添加到光学散射测量通道的另一信息通道。

在该关联中，参考图4，图4示意性地示出了利用拉曼和OCD信息通道的本发明的示例性计量方案/系统10的配置与操作。如图所示，提供第一测量数据MD

通常，测量数据MD

控制系统14通常是被配置为与测量数据供应商12通信的计算机系统；并且如下面进一步更为具体地描述的，还可以被配置为管理/控制利用不同测量方案的测量。如本非限制性实例所示，控制系统14包括建模实用程序16和处理器实用程序20，建模实用程序16存储关于在测量下的结构的“理论”数据，即‘假设’的结构配置的各种参数(尺寸、材料组成)。处理器实用程序20包括建模模块18、比较模块20、以及参数计算器模块22，建模模块18被配置并且可操作为计算给定假设的结构配置的理论拉曼光谱数据TD

比较模块20被配置为并且可操作为将来自OCD光谱和拉曼光谱的信息组合到测量数据MD

图5通过框图形式示出了用于使用混合计量测量图案化结构时使用的本发明的系统100。系统100包括控制系统146，控制系统146被配置为接收和处理输入的测量数据MD

光学系统包括限定照明通道IC的光源系统102、和限定采集通道CC的检测系统104，并且还包括定位在照明通道和采集通道中的至少一个通道中/与照明通道和采集通道中的至少一个通道相关联的光影响单元。在该非限制性实例中，系统包括光照明影响单元106和光采集影响单元108。照明影响单元和采集影响单元被配置用于影响照明和采集条件。这种单元可以包括用于影响光沿相应的通道传播的条件的光传播影响光学器件。照明影响单元108可以包括(例如，除光传播影响光学器件之外的)用于控制光源系统的操作的控制器；可替代地或此外，该控制器可以是控制系统114的一部分。应当理解的是，同一光学系统可以在拉曼操作模式与OCD操作模式之间发生偏移，或者可以在两种模式下同时操作，或者可以使用单独的光学系统。照明控制器106A与照明影响单元108和/或光源系统102相关联。采集控制器106B与采集影响单元110相关联。

尽管通常具有用于两种测量技术(拉曼与OCD)的相同计量目标是有用的，然而，具有每种方法所专用的单独测试部位是有益的。由于这些部位共享某些重要的属性(例如，材料组成、厚度)，但是具有不同的其他性质(例如，线宽、图案结构)，计量可以在一方面得到极大地简化，但是但仍允许来自不同部位的信息的融合。

对于本发明的上述解决方案，若干变形与修改是可行的。例如，可以优化组合技术的优势与弱点的使用。为此，用于组合来自OCD光谱和拉曼光谱的信息的比较引擎20不一定必须等同地处理它们相应的信息。例如，可以使用拉曼光谱数据，优选地，使用多种不同的测量方案(即，在照明和/或光采集条件方面彼此不同)，以获得关于材料组成的准确信息，从该信息中，可以经由已知关系(如图2所示)推导出光学参数(n和k)。因此，在OCD数据分析中可以使用这些光学参数作为计算核心的输入，从而显著改善OCD性能。

一般地，通常的情况是试样的一些性质可以通过拉曼技术和OCD技术中的一种良好地表征，通过这些技术中的另一种技术更好地获得其他特征，并且一些特征获益于两种技术。在这种情况下，可以实现多步骤分析，根据多步骤分析，首先使用每种技术识别通过其自身能解决的参数，并然后，使用推导特征以及来自两个测量数据集的组合信息获得其余的参数。

使用多信息通道导致了过多可能的通道配置与组合。OCD通道与拉曼通道两者可以通过使用不同的测量配置(例如，不同的偏振配置(对于照明通道和采集通道两者而言))提供关于测量试样的不同信息，从而控制照明和采集的入射角、试样方位角、波长等。需要一种选择拉曼通道与OCD通道的最佳组合的、可以由适合的算法解决方案支持的专用计量。在该计量中，纳入了每个通道对所关注的参数的相应灵敏度、不同参数的灵敏度之间的关联、以及光学系统配置和生产力考虑因素(例如，吞吐量、可能的试样损坏等)。

在图6中已以自说明方式示出了上述内容，图6示出了本发明的用于利用拉曼光谱和OCD的混合计量的示例性方法的流程图。在该实例中，从拉曼测量数据MD

参考图7，图7示出了适合于本发明中使用的示例性方法的流程图200，其中利用获取的多个不同的信息拉曼通道以使用不同的光学测量方案从同一结构/同一测量部位获得多个拉曼光谱。首先，根据该方法，将‘拉曼贡献效率’(RCE)限定为指定拉曼信号的位置依赖贡献。该性质取决于所测量的结构特征(尺寸、材料)、激发波长、以及照明和采集通道的特征(如下面将要描述的)。为清晰起见，RCE代表拉曼信号的贡献的空间分布。其取决于电磁辐射与结构的耦合、拉曼信号在结构内的激发、以及激发辐射与检测系统的耦合。

计算测量结构的拉曼贡献效率(步骤212)。该计算可以由关于从其他计量工具和/或测试部位(例如，OCD\SEM\TEM)获得/测量的结构的信息辅助(步骤214)，以提供尺寸表征、材料表征的椭偏测量等。提供关于n种不同测量条件的数据(步骤216)，并且分别针对n种测量条件(通常为照明/采集条件)计算结构上的拉曼贡献效率分布RCE

作为实例，实现这种推导的简单解决方案以线性方案为基础：收集一组测量的拉曼强度I

I

通过限定测量结构的一些空间采样，能将该关系写成矩阵形式：

I

此处，下标j涉及不同的空间位置并且下标i涉及不同的测量。由于I和M两者(通过测量及对应的建模引擎)已知，因此可以使用RMS解直接获得参数的空间分布：

许多其他算法方法是可用的，允许更为稳定并且良好受控的解。

该计量可以应用于诸如应力、组成、结晶度等任何可测量的性质，这仅是少数的非限制性实例。

通过将建模能力添加到拉曼光谱而允许的唯一关注的一种能力是尺寸计量。确实，该能力要求多层面的建模工具/方法，涉及电磁场穿透至结构以内以及外面的全面综合特征、以及在结构内建立拉曼信号的建模。该路径能提供关于测量结构的高度灵敏信息。

在文献中已知尺寸因数影响所测量的拉曼信号的证据，例如，来自下列公开文本：A.K.Arora et al.,Raman spectroscopy of optical phonon confinement innanostructured materials,J.of Raman Spectroscopy 38,604(2007)；B.Kaleli etal.,Strain characterization of FinFETs using Raman spectroscopy,Thin SolidFilms 31497(2013)；T.Nuytten et al.,Edge-enhanced Raman scattering in narrowsGe fin field-effect transistor channels,App.Phys.Lett.106,033107(2015)。在具体情况下(例如，纳米金属丝)，发现拉曼信号提供关于结构的尺寸特征的尺寸信息(例如，nanowire diameter[J.Liu et al.,Raman spectrum of array-ordered crystallinesilicon nanowires,Physica E 23,221(2004)；R.P.Wang et al.,Raman spectral studyof silicon nanowires:High-order scattering and phonon confinement effects,Phys.Rev.B 61,16827(2000)])。

然而，与OCD计量中使用的建模相似，通过一般的建模能力，能够使用与ODC相似的计量来解决从测量中推断尺寸性质的反面问题。在该方法中，针对测试结构的一些假设性质(尺寸、材料)，将测量信号与从建模工具计算的信号进行比较。当测量信号与计算信号之间获得良好的拟合时，推断测量结构与对应的计算结构具有相似的特征。与OCD计量中的常见惯例相似，可以实时(‘实时回归’)计算或预计算理论拉曼信号，以形成理论光谱的参数依赖‘库’。能结合其他计量方法(例如，OCD)使用拉曼光谱的这种分析，以打破参数之间的关联并且改进灵敏度。