在圖案化結構中進行測量的方法和系統的製作方法

2023-04-22 23:07:16

專利名稱：在圖案化結構中進行測量的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及半導體產業領域，並且涉及用於測量圖案化物品(例如，半導體晶圓)的參數的技術。
背景技術：
對於半導體結構的特性進行表徵是半導體產業長久以來的需求。由於基於這種結構的半導體器件的尺寸縮小，因此需要高靈敏度的測量工具和數據分析來監測半導體結構(尤其是圖案化與非圖案化薄膜的堆棧形式的結構)的特性。 已知光學臨界尺寸(O⑶)測量技術(也稱為散射測量)對於測量圖案化(周期性)結構的參數是有效的。通常採用擬合操作來執行OCD測量。根據該操作，描述被測結構的理論模型用於生成理論數據或參考數據，並且將該理論數據或參考數據與測量數據迭代比較，同時變化模型參數直到找到「最佳擬合」為止。「最佳擬合」模型的參數被認為與測量參數相對應。測量數據通常為光學數據，可對這些數據進行分析以得出有關圖案的幾何參數的信息，包括厚度、臨界尺寸(CD)、行距、行寬、壁深、壁輪廓等以及樣本所含材料的光學常數。用於這種測量的光學測量工具通常為基於橢圓光度法和/或反射測量法的工具。基於反射測量法的工具通常測量來自樣本/通過樣本返回/傳輸的輻射大小的變化，而基於橢圓光度法的工具通常測量與樣本相互作用後的輻射的偏振態的變化。除了這些技術或作為這些技術的替代方法，從圖案化(周期性)結構返回(反射和/或散射)的光的角度分析可用於測量定義/表徵該結構的參數。

發明內容
在本技術領域中存在著對於有助於測量(例如，光學測量)圖案化結構的參數的需求。上述傳統方法通常包括理論數據和測量數據之間的比較。這在圖I中已經示意性示出。理論數據基於一個或多個光學模型，每個光學模型基於多個參數的各種組合。模型中考慮到的參數通常有兩種，一種與結構有關，另一種與測量技術有關。某個函數(例如，優值函數)通常用於比較理論數據和測量數據，優值函數本身或其導數的數值(值)定義為與期望的擬合度對應的參數。優值函數通常為以下函數使得兩個數據(理論和測量)作為輸入(例如，光譜特徵)，並且結果是作為兩個輸入特徵之間「距離」的測量值的單個數值。例如，針對包括N個波長Xi的光譜的優值函數MF(X)可以是以下形式MF(x)=丄爻(/ ) - Zw (為))2
(I)其中，It和Im為理論光學特徵和測量光學特徵(例如，強度)如果比較階段並沒有提供期望的結果，則改變理論數據的模型參數，從而改變理論輸入數據，然後重複比較直到獲得期望的擬合度(例如，收斂到優值函數的最小值)為止。
通常的情況是結構的一個或多個參數對測量信號沒有影響或者影響很小。在這種情況下，模型裡的這個參數保持不變以避免模型的不穩定，尤其是由於弱影響參數。至於隨機變化或未知的參數(非建模參數)，其通常根本不包含在模型裡。這些和其他因素降低了測量的準確度。在通常的基於散射測量的應用中，挑戰在於考慮到大量參數(包括彼此相依或不相依的參數)的並行變化而向處理控制提供可靠的信息。通常，對於一些參數的測量的靈敏度不足以驗證精確的測量，而且結果是有噪聲的並且與實際處理行為不對應。因此，本發明基於對圖案化結構(例如，半導體晶圓)具有許多測量地點這一事實的理解以及對於應當優選使用處理行為從而指引和穩定擬合處理的一些通用理解。這樣可以降低最終結果的不確定性，允許改變(浮動)大量參數，並且增強用戶對報告結果的信任度。根據本發明一個寬泛方面，提供一種用於測量圖案化結構的至少一個參數的方法。該方法包括提供輸入數據，該輸入數據包括測量數據，該測量數據包括與該結構的不同地點的測量對應的多個測量信號，和表示理論信號的數據，理論信號和測量信號之間的關係則表示該結構的至少一個參數；提供基於至少一個所選全局參數的罰函數，該全局參 數表徵結構的至少一個特性；以及在理論信號和測量信號之間執行擬合處理，所述擬合處理包括使用所述罰函數確定理論信號和測量信號之間的優化關係，並使用該優化關係來確定該結構的所述至少一個參數。在一些實施方式中，使用優化優值函數進行所需次數的迭代，直到達到優化關係期望的收斂為止。然後，優化關係用於確定該結構的該至少一個參數。罰函數可以是以下類型其表徵該結構的兩個以上相關參數之間的關係。在一些示例中，相關參數可包括該圖案的臨界尺寸和側壁角度。在本發明的一些實施方式中，罰函數基於對測量地點基本上不變的全局參數。該結構的全局參數並且使用優化關係來確定該結構的所述至少一個參數。在本發明另一個寬泛方面，提供一種用於測量圖案化結構的至少一個參數的測量系統。該測量系統包括一個或多個測量單元，被配置為並且可操作地用於生成測量數據，測量數據處於與該結構的不同地點的測量對應的形式；以及上述用於接收和處理所述測量信號的控制系統。在使用不止一個測量單元的情況下，這些單元可以是相同類型或不同類型，採用類似或不同的測量技術。


為了理解本發明並領會如何在實際中執行本發明，下面僅通過非限制性示例方式描述的實施方式結合附圖進行描述，其中圖I為用於測量圖案化結構的參數的傳統方法的示意圖；圖2為本發明的用於測量圖案化結構的測量系統的方框圖；圖3為本發明的用於測量圖案化結構的方法的主要步驟的流程圖；圖4A為圖3的方法的具體但非限制性示例的流程圖；以及圖4B為圖3的方法的另一具體但非限制性示例的流程圖。
具體實施方式
圖I示出了用於基於數據擬合來測量特定參數的傳統方法的基本原理。參考圖2，圖2以方框圖的形式示出了被配置為並且可操作地用於執行本發明的測量圖案化結構S (例如，晶圓)的參數的測量系統10。該系統10包括被配置為用於處理和分析(在線或離線收集的)數據並且生成表示結構的一個或多個所需參數的輸出數據的控制單元12。控制單元12通常為計算機系統(由一個或多個計算機實體形成)並且包括存儲器實體12A和處理器實體12B等；並且通常還包括數據輸入和輸出實體12C。控制單元12接收或是從測量單元14 (經由合適的數據接收器通過視情況而定的有線或無線信號傳輸)或是來自外部數據存儲器(事先將數據從測量單元傳輸至該外部數據存儲器)的測量數據MD。這樣，一般來說，測量單元14構成一個或多個測量數據源。測量單元可以是任何合適的類型，例如，在OCD測量的情況下為光學類型。測量單元的構成和操作不是本發明的一部分，因此，除了要注意以下幾點，這裡將不再詳述。光學測量單元可採用基於散射測量的方案，例如垂直或斜入射，基於光譜或角度等，或其組合。在轉讓給本發明的受讓方的美國專利第6，657，736號中公開了適用於本發明的測量單元的示例。因此，對於基於散射測量的光學測量系統，該文獻通過引用結合於此。儘管以下將本發明示例為 與光學測量單元相關，但是應理解的是，本發明並不限於該具體應用。還應注意的是，可以從多於一個的測量單元提供測量數據，這些測量單元可以是類似或不同的測量類型(光學、電學、聲學等)。存儲器實體12A用於基於某模型和/或多個模型參數集來存儲(永久或臨時)用於擬合操作的理論數據。根據本發明，使用數據特定的罰函數來優化擬合操作，其中，該數據特定的罰函數事先存儲在系統中或可從測量數據中得出。通常，罰函數與關於被測結構的一個或多個全局參數/條件的某些認知(數據)相關。應理解的是，這些認知並不一定意味著在實際測量前已經知曉某些參數的值，而是指一個或多個全局參數的行為是已知的，或者這些認知在實際測量過程中能夠更新。全局參數通常為結構的特徵。在這方面，應理解的是，待測的圖案化結構包括一組由一個或多個類似的參數表徵的地點。本發明在(例如，基於製造工藝)描述該集合的所述參數的預期行為的全局參數中採用優化標準。這樣，處理器實體12B進行操作以確定通過應用基於全局參數的罰函數所優化的理論數據和測量數據之間的關係。然後，優化關係用於確定結構的期望參數。下面將對此進行更具體的描述。參考圖3，示出了能夠由上述系統(B卩，控制單元)實現的本發明的方法的主要步驟的流程圖。提供理論數據(步驟100)。該理論數據通常離線生成，即，先於並且獨立於對具體結構進行的實際測量，並呈現出理論信號(特徵)的集合(庫)，其中，每個理論信號對應於根據特定條件下某個類型的結構可測量的數據(即，參數的值)。在晶圓中基於散射測量的O⑶測量的情況下，這些特徵可以是光譜特徵。提供來自結構S上的至少兩個(但是優選多個)測量地點的測量數據MD (步驟110)。在獲得測量數據的同時或單獨地(例如，測量前)，提供表示與被測的該具體結構的一個或多個全局參數有關的數據(步驟112)。使用關於全局參數的所述數據(在步驟112提供)處理理論數據和測量數據(步驟114)，定義用於處理理論數據對測量數據的罰函數，產生優化的優值函數MFfull (步驟116)。優值函數數值MFfun被確定為局部優值函數MFltrcal和全局優值函數MFgltjba的某個函數，其中，局部優值函數MFltrcal表示針對某個測量地點的理論數據和測量數據之間的比較(關係)，而全局優值函數MFgltjba與基於關於全局參數的數據的罰函數相對應
MFfull-f (MFlocal, MFglobal) (2)根據一示例，可按照如下方式確定優化的優值函數MFfull MFfull-MFlocal+MFglobal (3)在另一非限制性示例中MFfull=MFlocal+(1+G) (4)其中，根據針對所有地點已知的/確定的全局參數來確定G。然後，儘管在該圖中未具體指明，但是通過分析優值函數MFfull來識別其是否滿足與期望的擬合度對應的預定條件。如果不滿足，則根據迭代程序來改變理論模型，直到達到最佳擬合(例如，優值函數的期望最小數)。基於最佳擬合結果，對應模型的參數用於表徵測·量參數。在本發明的一些實施方式中，測量數據的處理可始於包括以下各項的標準操作正如上面參考圖I所述的，使用標準優化處理來單獨擬合每個測量地點。應注意的是，由於數據處理的這個階段預計不會是最終的，而僅僅是下一個階段的起始點，因此匹配/擬合度可以相對較低，從而節省計算時間。然後，處理的下一個階段從處理的初始、標準階段產生的每個點的擬合操作的「低準確度」開始，或通常始於任意點。處理的該下一個階段基於關於全局參數的數據並且旨在優化/調整優值函數。例如,定義/計算針對預定集合中每個地點的至少一個全局參數，gpgy......gi。應
注意的是，從先前的優化/迭代步驟已知，所有地點的全局參數對於所有地點可以一樣，或者對於每個地點或一些地點的值不同，並且根據一些或所有地點的測量來確定。每個地點可分配有修正優化的優值函數MRfull,該函數考慮到經由MRgld3al表達的罰函數，其中，MRglbai基於表示所選全局參數的數據。全優值函數數值比常規、局部優值函數MFltxal大，其削弱用戶期望抑制的全局行為，見上面的等式(3)和(4)。可基於修正/優化的優值函數MFfull針對每個地點進行擬合(收斂)處理。根據某個中間停止判據(例如，將優值函數改進到某個中間水平)，或是按照一步或是按照數步停止來進行步進前移。可重複或不重複擬合操作步驟，直到獲得對於所有地點的MFfull的足夠收斂為止。下面參考圖4A和圖4B對此進一步舉例說明。根據一些示例,所選全局參數與某個外部參考相關,該外部參考為測量處理的基本上不變的特徵。因此，優化操作採用對外部參考的擬合。該外部參考例如可以是OCD測量工具和⑶-SEM之間的相關性R2。應理解的是，本發明可用於改進O⑶或⑶-SEM測量，以及任何其他測量技術。因此，R2用作針對優化的公共全局參數。實際上，該優化還在很大程度上優化了總測量不確定性(TMU)。由於(例如)由MFgltjbal數值表達的罰函數值應儘可能最小化，因此MFgltjbal可表達為MFglobal=Q * (1-R2)n (5)其中，n〈l可用於增強R2接近數字I的效果；α是允許調整MFgltjbal對MF1(X;al的相對強度的比例因子。根據其他一些示例，最佳擬合法可用於按照以下方式使用全局數據來評估局部誤差。X被指定為對於優化處理中具體步驟在特定地點的感興趣的全局參數(例如，CD)所估計的值，Xref被指定為針對同一地點的某個外部參考值，所述全局參數的值Xfit可通過其與外部參考值的關係表達為
Xfit=a · Xref+b (6)其中，a和b為優化Xfit儘可能靠近XMf的校正係數。Xfit值和當前值之間的個別差異用於確定罰函數,例如,優值函數校正MFglobal=Q · ((Xfit-X)/dX)2 (7)
其中，dX為具有X維數的固定值，dX可用於調整擬合/收斂處理中MFgltjbal的強度。這樣，常數值的某個外部參考可直接用作全局參數或用作定義全局參數的因子。可替換地，全局參數可以是晶圓中逐地點變化的參數，具有其值在這些地點中的已知特定分布。這種參數例如可以該結構的或是晶圓中整個測量地點集或其一部分的至少最上面的層的厚度T。關於全局參數的數據可表示該參數(例如，厚度)的行為的平滑度。這樣，可通過增強跨測量地點集的至少一部分的給定參數的行為平滑度來提供測量結果的穩定性。例如，可通過下面的方法獲得例如，可通過將N個臨近地點(例如，3個點)擬合到某個平滑函數並評估該函數在地點坐標中的中間值來估計針對每個地點的局部平滑值。估計的平滑值xs_th和模型參數的對應值X的差值除以某個相關校正因子可用作例如由MFgltjbal表達的罰函數MFglobal=Q · ((Xsmooth-X)/dX)2 (8)在不是平滑度函數或者除了平滑度函數之外，跨晶圓中測量地點的全局行為可選為某個全局參數的徑向函數/分布，例如，作為沿著晶圓半徑R的多項式函數。在優化操作的每個步驟中，整個測量數據集擬合到所述的徑向函數，並且擬合水平/程度(例如，殘差平方和或相關性)用於確定罰函數進而針對所有地點的MFgltjbal。應注意的是，可選擇測量地點集，這樣，它們全部共享在優化操作中使用的至少一個參數的公共行為。同樣，優選地，分析這些地點以選擇合適的測量集。例如，優選地，從優化的優值函數中使用的測量集中過濾掉(手動或自動)由於某種原因具有與總體的其它地點明顯不同的參數行為(例如，擬合水平)的地點。可選地，但是優選地，通過驗證每個地點正確的光譜設置和合理的收斂來定義和優化每個測量地點的測量方法(關於測量地點和/或有關所述地點的測量條件的信息)。以下為本發明用於測量圖案化結構的技術的具體而非限制性的示例。參考圖4A，示出了能夠由上述圖2所示的系統實現的本發明的一個實施方式的方法的流程圖。該具體而非限制性示例示出了全局參數針對特定的測量地點基本不變，然而全局參數針對不同的地點相同或不同的情況。因此，該圖舉例說明了對於來自一個測量地點的測量數據的處理，而類似的操作可獨立進行，例如針對多個地點並行進行。當處理針對測量地點恆定的全局參數時，該全局參數可能與某個外部參考相關。在該實施方式中，針對每個測量點(地點)的全局參數值定義為用戶提供的常數值，或定義為該參數和其他事先已經確定的(浮動)參數之間的用戶定義關係(方程式)。這種方程式可以表示測量地點上全局參數的空間分布，或通常在至少一部分圖案化結構上的空間分布。提供包括各種模型或某個模型的多個參數集的理論數據(步驟200)。該理論數據通常離線生成，即，先於並且獨立於對具體結構的實際測量，並呈現出理論數據(特徵)的集合(庫)，其中，每個理論數據與特定條件下根據某個類型的結構可測量的數據(即，參數的值)相對應。在圖案化結構(諸如半導體晶圓)中基於光譜測量的OCD測量的情況下，可以是光譜特徵。提供來自結構S上測量地點的測量數據MD (步驟210)。同樣，還提供(在獲得測量數據的同時或與其獨立(例如，在測量前))關於被測的具體結構的一個或多個全局參數的數據(步驟212)。如上所述，該數據可包括全局參數值或描述與一個或多個其他浮動參數相關的全局參數行為的函數。使用關於全局參數(步驟212中提供)的所述數據來處理理論數據和測量數據(步驟214)，並確定它們之間的關係，例如，以所謂的局部優值函數MFltrcal的形式(步驟216)。然後，通過使用關於全局參數的所述數據來優化該優值函數(步驟218)。實際上是通過向局部優值函數應用某個罰函數來實現該優化。罰函數基於關於全局參數的數據並且例如可通過所謂的全局優值函數MFgltjbal表達。這樣，獲得理論數據和測量數據之間的產生的優化關係(步驟220)，這裡稱為MTfull，作為局部優值函數和全局優值函數的某個函數(見上面的等式⑵)。然後，分析優化的優值函數MFfull以確定其是否滿足與期望的擬合度對應的預定條件(步驟222)。如果不滿足，則根據迭代操作改變理論模型，直到達到最佳擬合(例如，優 值函數的期望最小數)。基於最佳擬合結果，對應模型的參數用於表徵針對該測量地點的測量參數(如上所述)。如上所述，可以針對多個地點進行類似的操作。參考圖4B，圖4B舉例說明了針對以下情況的本發明的方法，即，全局參數不是常數而是取決於多個測量地點的所謂的公共全局參數，因此可能不單獨與外部參考相關。例如，這種全局參數在結構內可具有某種已知的一般分布(函數)，而函數的係數需要並且可基於多個地點中至少一些地點的測量數據更新。下面將對此進一步舉例說明。如圖所示，提供理論數據(步驟300)，提供來自i個地點的測量數據(步驟310和310』)。在一些實施方式中，不同的地點與不同的理論數據相關。因此，該圖中的步驟300和300』對應於提供不同的理論數據。使用該示例中不同的理論數據(其是可選的)來處理針對每個地點的理論數據和測量數據(步驟312和312』)。該處理操作產生理論數據和測量數據之間的某些局部關係，例如，局部優值函數MF1ltjeal和MFiltjeal以及與全局參數相關或不相關的參數的某些值，這些值使用各個局部優值函數確定。基於先前提供的關於一個或多個全局參數(步驟316)的數據(例如，全局參數行為(例如，其特定分布)來處理如此確定的對應於全局參數的「局部值」(步驟314)。步驟314的處理旨在確定罰函數或所謂的全局優值函數。在該全局參數針對多個測量地點是公共參數的實施方式中，罰函數也取決於多個地點。例如，罰函數利用全局參數的平均值或處於具有一個或多個未知係數的已知函數(例如，多項式)形式的全局參數。例如，通過某個線性函數表達罰函數P (x, y) =ax+by+c (9)其中，可根據先前的迭代(步驟312和312』 )定義/更新係數a，b，c。該計算可能需要至少三個地點(三個測量光譜)或更多的地點，例如，對於這種參數來說，光譜可能超過10個。同理，可採用拋物線函數(B卩，全局參數值定義為針對所有測量光譜的之前迭代結果的拋物線逼近法的結果)。在第一次迭代後，確定針對每個測量點的參數值集合匕(X1,yi)o然後，確定針對每個點(地點)的拋物線逼近法的係數a，b，c，d，e，f和罰函數Pi(X^yl) = O-Xf +b-x^c-yf +^^,+e^X^y,+/ (10)
該計算可能需要6個以上光譜，例如，超過20個光譜。在另一示例中，罰函數基於全局參數的平滑，例如，針對每個測量地點的公共全局參數定義為針對晶圓上三個最近測量位置的之前迭代結果的中間值。而又一示例可以是全局參數值為根據之前迭代確定的一個或多個其他浮動參數的線性相關逼近(或全局參數對該全局參數和其他浮動參數之間施加線性約束)的結果
權利要求
1.一種用於測量圖案化結構的至少一個參數的方法，所述方法包括 提供輸入數據，所述輸入數據包括 測量數據，包括與所述結構的不同地點的測量對應的測量信號； 表示理論信號的數據，所述理論信號和測量信號之間的關係表示所述結構的至少一個參數； 提供基於表徵所述結構的至少一個特性的至少一個所選全局參數的罰函數；以及在所述理論信號和測量信號之間執行擬合操作，所述擬合操作的所述執行包括使用所述罰函數來確定所述理論信號和測量信號之間的優化關係，並使用所述優化關係來確定所述結構的所述至少一個參數。
2.根據權利要求I所述的方法，包括使用優化優值函數執行所需次數的迭代，直到達到所述優化關係的期望收斂為止，並進行所述結構的所述至少一個參數的所述確定。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其中，所述罰函數表徵所述結構的兩個以上相關參數之間的關係。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述相關參數包括所述圖案的臨界尺寸和側壁角度。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的方法，其中，所述罰函數基於對所述測量地點基本上恆定的所述全局參數。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，所述全局參數與外部參考是特定的已知關係。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述全局參數與用於獲得所述測量數據的第一測量處理和用於確定所述結構的類似參數的第二測量處理之間的相關性有關。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述第一和第二測量處理包括O⑶和⑶-SEM測量。
9.根據權利要求I至8中任一項所述的方法，其中，所述罰函數基於在至少一部分的所述測量地點內具有特定分布的公共全局參數。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述罰函數基於所述全局參數的平均值。
11.根據權利要求9所述的方法，其中，所述罰函數基於所述全局參數值的平滑。
12.根據權利要求9至11中任一項所述的方法，其中，所述特定分布為多項式函數。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述多項式分布的至少一些係數是已知的。
14.根據權利要求12或13所述的方法，包括使用優化優值函數執行所需次數的迭代，直到達到所述優化關係的期望收斂為止，所述多項式函數的至少一些係數在一個或多個所述初始迭代操作中確定。
15.根據權利要求I至14中任一項所述的方法，包括通過進行迭代操作來優化所述罰函數。
16.根據權利要求I至15中任一項所述的方法，其中，所述圖案化結構中的所述測量包括光學測量。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述測量數據包括光譜特徵。
18.根據權利要求I至17中任一項所述的方法，其中，所述圖案化結構為半導體晶圓。
19.一種用於測量圖案化結構的至少一個參數的控制系統，所述系統包括 數據輸入實體，用於接收輸入數據，所述輸入數據包括測量數據和理論數據，其中，所述測量數據包括與所述結構的不同地點的測量對應的測量信號，所述理論數據表示理論信號；以及
20.處理器實體，被配置為並且可操作地用於定義基於表徵所述結構的至少一個特性的至少一個所選全局參數的罰函數；以及用於在所述理論信號和測量信號之間執行擬合操作，所述擬合操作包括應用所述罰函數來確定所述理論信號和測量信號之間的優化關係，所述優化關係表示所述結構的至少一個參數，並使用所述優化關係來確定所述結構的所述至少一個參數。一種用於測量圖案化結構的至少一個參數的測量系統，所述測量系統包括至少一個測量單元，被配置為並且可操作地用於生成測量數據，所述測量數據為與所述結構的不同地點的測量對應的形式；以及權利要求19所述的用於接收和處理所述測量信號的控制系統。
全文摘要
本發明提供了用於測量圖案化結構的至少一個參數的方法和系統。該方法包括提供輸入數據，輸入數據包括測量數據，其包括與該結構的不同地點的測量對應的多個測量信號；以及表示理論信號的數據，理論信號和測量信號之間的關係該表示結構的至少一個參數；提供基於表徵結構的至少一個特性的至少一個所選全局參數的罰函數；以及在理論信號和測量信號之間進行擬合操作，所述擬合操作包括通過所述罰函數來確定理論信號和測量信號之間的優化關係，並使用優化關係來確定該結構的所述至少一個參數。
文檔編號G01B11/24GK102884396SQ201180020938
公開日2013年1月16日 申請日期2011年2月24日 優先權日2010年2月25日
發明者博亞茲·布裡爾, 鮑裡斯·舍曼 申請人:諾威量測設備股份有限公司