所描述實施例涉及計量系統(tǒng)及方法，且更特定來說，涉及用于改進(jìn)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的測量的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、通常通過應(yīng)用于樣品的一系列處理步驟制造例如邏輯及存儲器裝置的半導(dǎo)體裝置。通過這些處理步驟形成半導(dǎo)體裝置的各種特征及多個結(jié)構(gòu)層級。例如，光刻尤其是一種涉及在半導(dǎo)體晶片上產(chǎn)生圖案的半導(dǎo)體制造工藝。半導(dǎo)體制造工藝的額外實例包含但不限于化學(xué)機(jī)械拋光、蝕刻、沉積及離子植入?？蓪⒍鄠€半導(dǎo)體裝置制造在單個半導(dǎo)體晶片上且接著將其分離成個別半導(dǎo)體裝置。

2、在半導(dǎo)體制造工藝期間的各個步驟使用計量過程以檢測晶片上的缺陷來促成較高良率。光學(xué)計量技術(shù)提供高吞吐量的潛力，而沒有樣本破壞的風(fēng)險。包含散射測量及反射測量實施方案以及其相關(guān)聯(lián)分析算法的數(shù)種基于光學(xué)計量技術(shù)通常用于表征納米級結(jié)構(gòu)的臨界尺寸、膜厚度、成分、疊加及其它參數(shù)。

3、快閃存儲器及動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(dram)架構(gòu)從二維浮動?xùn)艠O架構(gòu)過渡到全三維幾何形狀。在一些實例中，膜堆疊及蝕刻結(jié)構(gòu)非常深(例如，深度高達(dá)6微米)，且包含許多層。例如，最先進(jìn)的nand存儲器結(jié)構(gòu)包含200到300個層。此類高寬高比的多層結(jié)構(gòu)為膜及cd測量帶來挑戰(zhàn)。測量界定這些結(jié)構(gòu)的孔及溝槽的形狀的臨界尺寸的能力對實現(xiàn)所要性能水平及裝置良率來說是至關(guān)重要的。另外，許多半導(dǎo)體架構(gòu)采用厚的不透明材料層，例如非晶碳層、鎢層及硬掩模層。真空紫外線、紫外線、可見光及短紅外線波長范圍(即，低于近似1微米的波長)內(nèi)的照明光未充分穿透這些不透明層，從而導(dǎo)致具有低信噪比的測量信號或根本沒有可測量信號。

4、許多光學(xué)技術(shù)存在低信噪比(snr)的問題，這是因為僅一小部分的照明光能夠到達(dá)高寬高比特征的底部，且向上反射到檢測器。因此，許多可用高吞吐量計量技術(shù)無法可靠地執(zhí)行高寬高比結(jié)構(gòu)的cd及膜測量。探索臨界尺寸、小角度x射線散射測量(cd-saxs)、法向入射反射測量及散射測量作為高寬高比結(jié)構(gòu)的測量解決方案，但開發(fā)仍在進(jìn)行。

5、橫截面掃描電子顯微術(shù)(sem)是不適于線內(nèi)計量的低吞吐量破壞性技術(shù)。原子力顯微術(shù)(afm)的能力限于測量高寬高比結(jié)構(gòu)且具有相對較低的吞吐量。cd-saxs尚未被證明實現(xiàn)半導(dǎo)體行業(yè)所需的高吞吐量能力?；谀Ｐ偷募t外線反射測量(mbir)已用于高寬高比dram結(jié)構(gòu)的計量，但所述技術(shù)缺乏由較短波長提供的分辨率且測量光點大小對于半導(dǎo)體計量來說太大。參閱戈斯延(gostein)等人的“用基于模型的ir測量深溝槽結(jié)構(gòu)(measuringdeep-trench?structures?with?model-basedir)”，《固態(tài)技術(shù)》，第49卷，第3期，2006年3月1日，其如同完全闡述那樣以引用的方式并入本文中。

6、光學(xué)cd計量當(dāng)前缺乏在相對較小的光點(例如，小于50微米或甚至更優(yōu)選地小于30微米)中以高吞吐量測量具有微米級深度及橫向尺寸的結(jié)構(gòu)的詳細(xì)輪廓的能力。第8,860,937號美國專利(其如同完全闡述那樣以引用的方式并入本文中)描述適于表征高寬高比結(jié)構(gòu)的紅外線光譜橢偏技術(shù)。然而，所描述技術(shù)存在用于跨越紫外線及紅外線波長進(jìn)行測量的長測量時間、波長穩(wěn)定性限制及在操作期間紅外線波長的有限范圍的問題。

7、由科磊公司(kla?corporation)制造的現(xiàn)存計量工具包含專注于臨界尺寸及形狀計量的spectrashapetm?ss10k、ss11k及s12k工具以及專注于膜計量的spectrafilmtm?f1-f20工具。這些工具在aoi方向上包含相對較大的收集na，其限制對具有相對較大數(shù)目個層(例如，200到300個層)的深層結(jié)構(gòu)的敏感度。現(xiàn)存工具在aoi方向上具有相對較大的收集na且在200到300個層的nand處缺乏敏感度。另外，現(xiàn)存工具的照明波長范圍限于170納米或更高，這是因為所述工具采用與較短波長輻射不兼容的折射收集中繼光學(xué)器件。

8、總之，特征大小的不斷減小、結(jié)構(gòu)特征的深度及層的增加以及不透明材料層的使用的增加對光學(xué)計量系統(tǒng)提出困難要求。光學(xué)計量系統(tǒng)必須滿足用于在高吞吐量下滿足日益復(fù)雜的目標(biāo)的高精度及準(zhǔn)確度要求以保持成本效益。在這種背景下，收集中繼光學(xué)器件的收集na及有限短波長能力已成為適于具有相對較大數(shù)目個層(例如，超過200個層)的高寬高比結(jié)構(gòu)的光學(xué)計量系統(tǒng)的設(shè)計中的關(guān)鍵性能限制問題。因此，期望改進(jìn)的計量系統(tǒng)及方法來克服這些限制。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本文中呈現(xiàn)用于使用從光譜儀狹縫到檢測器具有縮倍的反射收集中繼光學(xué)器件執(zhí)行半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的光譜橢偏測量的方法及系統(tǒng)。縮倍有效地增加檢測器處的na且減小成像到檢測器上的晶片處的測量光點大小。以這種方式，縮倍維持檢測器處的高光譜分辨率，特定來說在紫外線波長范圍內(nèi)(例如，120到400納米)，同時維持晶片處的小收集na(例如，小于0.05的收集na)。當(dāng)測量厚的多層堆疊(例如，200到300個層)時，小收集na實現(xiàn)高條紋對比度、信號保真度及敏感度。

2、在一個方面，收集中繼光學(xué)器件126的光學(xué)元件是反射光學(xué)元件且收集中繼光學(xué)器件具有大于1的視場縮倍，即，小于1的視場放大率。在一些實施例中，收集中繼光學(xué)器件的視場縮倍在1.1x與10x之間，即，視場放大率在0.1x與0.9x之間。

3、一般來說，反射收集中繼光學(xué)器件可包含經(jīng)配置有大于1的視場縮倍的任何數(shù)目個反射光學(xué)元件。具有大于1的視場縮倍的反射收集中繼光學(xué)器件在不添加反射光學(xué)元件固有的色差的情況下改進(jìn)(若干)檢測器處的光學(xué)分辨率。另外，反射收集中繼光學(xué)器件實現(xiàn)較短波長收集光，例如小于190納米的波長。在一些實施例中，反射收集中繼光學(xué)器件實現(xiàn)具有在從140納米到2,500納米的范圍內(nèi)的波長的收集光。

4、在一些實施例中，收集光學(xué)器件子系統(tǒng)包含安置在收集光學(xué)器件子系統(tǒng)的光瞳附近的收集掩模。收集掩模包含經(jīng)配置以成一或多個入射角(aoi)從晶片透射收集光且阻擋來自其它aoi的光的一或多個孔徑(即，開口)。在一些實施例中，收集掩模包含從晶片透射來自三個不同aoi的收集光的三個孔徑。此外，收集掩模經(jīng)配置以用在aoi方向上小于0.05的na成一或多個入射角中的每一者透射收集光。在一些實施例中，收集掩模用在aoi方向上處于從0.02到0.05的范圍內(nèi)的na成一或多個入射角中的每一者透射收集光。以aoi方向上的相對較小na采樣實現(xiàn)高條紋對比度以及對厚膜及har結(jié)構(gòu)的敏感度。以這種方式，收集掩模控制收集子系統(tǒng)的na。

5、收集視場光闌控制收集光學(xué)器件子系統(tǒng)的視場。在一些其它實施例中，采用光譜儀狹縫來界定收集光學(xué)器件子系統(tǒng)的視場。

6、在一些實施例中，光譜儀的色散元件包含一或多個段且每一段從收集掩模的一或多個對應(yīng)孔徑接收光。以這種方式，由色散元件色散到檢測器上的光包含對應(yīng)于晶片處的一或多個離散入射角的光。

7、一般來說，檢測器接收成一或多個入射角、多個波長及一或多種偏振狀態(tài)從晶片收集的光。檢測器響應(yīng)于從由照明子系統(tǒng)照明的一或多個結(jié)構(gòu)收集的光而產(chǎn)生輸出信號。在一些實施例中，色散元件沿著檢測器的一個維度根據(jù)波長線性地色散衍射光，從而引起投射到檢測器的表面上的不同波長的光當(dāng)中的空間分離。以這種方式，從測量光點收集的特定波長的光在不同于從測量光點收集的另一不同波長的光的空間位置處投射到檢測器上。

8、在另一方面，本文中所描述的用于半導(dǎo)體裝置的光譜計量的方法及系統(tǒng)應(yīng)用于高寬高比(har)結(jié)構(gòu)、大橫向尺寸結(jié)構(gòu)或兩者的測量。所描述實施例實現(xiàn)由各種半導(dǎo)體制造商(例如三星(samsung)公司(韓國)、sk海力士(hynix)公司(韓國)、東芝(toshiba)公司(日本)及美光科技(micron?technology)公司(美國)等)制造的包含三維nand結(jié)構(gòu)(例如垂直nand(v-nand)結(jié)構(gòu)、動態(tài)隨機(jī)存取存儲器結(jié)構(gòu)(dram)等)的半導(dǎo)體裝置的光學(xué)臨界尺寸(cd)、膜及成分計量。這些復(fù)雜裝置存在到(若干)被測量結(jié)構(gòu)中的光穿透較弱的問題。圖3描繪存在到(若干)被測量結(jié)構(gòu)中的光穿透較弱的問題的示范性高寬高比結(jié)構(gòu)160。具有如本文中所描述的同步光譜頻帶檢測的具備寬帶能力及寬范圍aoi、方位角或兩者的光譜橢偏儀適于測量這些高寬高比結(jié)構(gòu)。har結(jié)構(gòu)通常包含用于促進(jìn)har的蝕刻工藝的硬掩模層。如文中所描述，術(shù)語“har結(jié)構(gòu)”是指表征為寬高比超過2:1或10:1且可高達(dá)100:1或更高的任何結(jié)構(gòu)。

9、前文是概述且因此必然含有細(xì)節(jié)的簡化、概括及省略；因此，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，概述僅是說明性的且不以任何方式進(jìn)行限制。本文中所描述的裝置及/或工藝的其它方面、發(fā)明特征及優(yōu)點在本文中所闡述的非限制性詳細(xì)描述中將變得顯而易見。