用于非破坏性地确定薄膜中元素的分布轮廓的方法和系统的制作方法

专利名称：用于非破坏性地确定薄膜中元素的分布轮廓的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式关于一种用于提取沉积于薄膜或超薄膜中的一种或 多种元素的深度分布信息的方法和系统。
背景技术：
在众多不同类型设备的制造中，对样品成分的分析是必不可少的。样品 成分是薄膜中元素和/或化学物类的浓度。需要进行成分分析的样品的示例为 形成于半导体集成电路设备中的栅氧化物薄膜。随着半导体设备中集成电路 芯片的密度增大以及半导体设备的尺寸一再减小，样品分析变得愈加困难和 复杂。
例如，在半导体设备的制造中的新近发展是可以采用浅植(shallow implant)和/或其他超薄结构。在一个特定的实施例中，栅氧化层变为非常 薄的膜，通常厚度小于10纳米。如此薄的膜难以表征特性。这样的结构将 需要比传统表征技术敏感度更高的表征技术。此外，这样的技术还需要表征 过程以足够的速度进行。
不同的技术已用于这种材料中的微量和/或主要成分的表面分析。例如， 这些方法中的若干种包括二次离子质谱(SIMS)、 X射线光电子能谱(XPS) (也称为用于化学分析的电子能谱(ESCA))、以及俄歇电子能谱(AES)。这样的技术对于材料的近表面区域是敏感的。但是，这些技术不允许通过深 度剖析方法对表面下方深度功能的材料性质的测量。
在典型的深度剖析过程中，例如，连续或周期性的离子束溅射将材料从 样品表面除去，以在样品的一个或多个不同深度上逐渐暴露出更深的材料， 用以进一步测量和/或分析。通常己知的溅射速度可用于确定表面测量完成的
深度。同样地，作为表面下方深度功能的样品特性可通过使用SIMS、 XPS 或AES来获取。
上文中描述的许多用于表征薄膜的技术为侵入性技术，例如，这些技术 涉及对样品至少一个或多个部分的破坏。这样的技术，例如利用在深度轮廓 分析过程中除去材料的技术，在如研发、产品测试等许多环境中是有效的， 但是这些技术不提供快速分析薄膜的能力，而这是在生产过程中必不可少 的。例如，在这样的生产过程中，成型薄膜通常需要在没有由于这种薄膜的 侵入性表征而产生产品损失的情况下进行分析，从而使这些信息能够用于生 产控制、产品测试等环节。

发明内容
本发明的实施方式涉及一种用于检査微电子结构的方法和系统，且特别 涉及利用光电子能谱来检测薄膜中的一个或多个元素的深度分布的系统和 非破坏性方法。
本发明的实施方式还涉及一种用于检查微电子结构的方法和系统，且特 别涉及一种利用光电子能谱来检测薄膜中的一个或多个元素的分布质心的 系统和非破坏性方法。
本发明的实施方式还涉及一种用于设计和/或监视薄膜中的一个或多个 元素的工艺过程和/或制造过程的方法。仅在一个或多个可靠控制参数可用的 情况下，精确的材料制造控制才能得以实现。经确定的深度分布质心(薄膜/层中待测元素的质量分布的中心的深度)以及该质心与层厚度之间的比率可 在流程设计、监视和控制中被用作控制参数。这些参数是在特定薄膜上的工
程/制造设备的电性质的精确预报器。例如，对于SiON薄膜，在晶体管设计 中，经确定的元素深度分布的质心以及该质心与薄膜厚度之间的比率与驱动 电流、电荷迁移率以及阈值电压相关联。该经确定的质心也能用于计算对薄 膜中元素的剂量的校正，该剂量可应用于通过传统光电子能谱测量(如XPS 测量)的标准剂量，从而提高剂量与电子参数之间的关联。给定元素的剂量 可用于预测EOT (等效氧化层厚度)和泄漏电流，因此也可用于流程控制。 通过使用该质心信息，所述剂量的XPS测量的精确度可得到极大改善。
在光电子能谱测量系统中，通过一些激发方法(例如以能量高于给定元 素轨道的电离能量的光子通量对样品进行照射)使电子从特征元素中电离。 在探测器中，在一定的固定角度内脱离样品表面的被电离的电子的数量作为 该电子的能量的函数而被计数。
从给定的元素轨道电离的电子(电子核素)将在广泛的能量范围内被检 测，因为通过与发射出的电离原子的无弹性散射相互作用(固有损失)、与 该薄膜晶格中的原子的无弹性散射相互作用(体积散射)以及与界面上的原 子的无弹性散射相互作用(表面散射)，这些电离的电子都将会损失能量。
说明体积散射和表面散射的电子转移模型被一些作者开发并出版，且同 样被开发并出版的还有当由给定核素发射出的光电子的原始能量分布(固有 能谱)己知时，模拟这些光电子的能谱的技术。
光电子能谱包括由具有不同深度分布的不同元素发射出的若干电子核 素的能谱的叠加。每个核素损失的能量的总量取决于光电子在薄膜中行进的 时间长短，即取决于光电子初始的深度。理论上，如果给定薄膜中单个元素 的深度分布，则固有能谱(脱离原子的光电子的能量分布)可通过从所测量 到的能谱中去除体积非弹性散射和表面非弹性散射的影响而从由该元素的每一单个核素发射出的光电子的能谱来获得。实际上，测量到的能谱包括若 干元素及其若干核素的叠加，且由于在该能谱中多个核素被叠加，因而没有 数学方法可用于容易地提取所述多个核素的固有能谱。
在本发明的一个主要的方面中，提供若干种分析能谱和对一个或多个核 素的能谱影响进行分离(经预处理的能谱)的方法。
本发明的一种实施方式涉及一种从不同核素发射出的信号(背景能谱) 中隔离由第一核素发射出的信号(信号能谱)的方法，所述不同核素的初始 发射动能大于所述第一核素的动能。由不同核素发射出的光电子将通过非弹 性散射损失能量，且将在与来自该第一核素的光电子相同的能量范围内被检 测到。因此，被检测到的能谱为背景能谱和信号能谱的总和。
本发明的一种实施方式涉及通过获取所述背景能谱的独立测量而从测 量到的能谱中去除背景能谱，例如通过收集样品(背景样品)的光电子能谱， 该样品(背景样品)具有不包括被分析的元素的相同的感兴趣样本的体积/ 表面性质。
在许多情况下，这种背景样品不易得到。本发明的一种实施方式涉及一 种在薄膜上收集和存储若干背景能谱的方法，该薄膜因为一个或多个定义参 数(厚度、密度等等)而不同。该背景能谱用于通过在这些在参数空间中的 能谱之间的插值而为特定样品重建合适的背景，该参数空间描述了每个背景 样品之间的差异(厚度、密度等的差异)。
本发明的另一种实施方式涉及一种利用电子转移理论从主要原理来重 建合适的背景能谱的方法。组成大量薄膜的大多数背景元素是已知的或具有 统一的深度分布。因此，当每个处于高发射动能的核素的固有能谱已知时， 全背景能谱可得以重建、标准化和去除，以分离由具有未知深度分布的核素 发射的光电子的能谱。
本发明的一种实施方式涉及一种利用已知深度分布的一组参考晶片来获取多种核素的固有能谱的方法。该方法包括激发并获取来自元素深度分布 已知的薄膜的光电子能量信号，以及获取强度能谱。该强度能谱在动能区域 (分区)可被细分，每个动能区域(分区)含有相同元素(相同深度分布) 的一个或多个核素的发射能量峰，且每个动能区域(分区)延伸至低于该发
射能量至少20-40eV。每一核素的固有能谱针对每个能量分区被确定。该固 有能谱的确定始于最高动能的分区(初始区域)。该初始区域包括由具有较 小电离能的核素所发射出的辐射。该核素的能谱不需要在对其分析前进行背 景去除(除了可被近似为固定/线性偏移的杂散辐射)。因此，该核素在能量 子区域中的固有函数可通过使用任何可用的反巻积技术(基于反演、回归等 方法的傅立叶变换)来进行提取。然后，该固有函数被外推(extrapolate) 至该核素的整个能量区域。这种外推可通过选择任何随机的函数形式来完 成，例如简单的多项式拟合或指数形式的函数，只要该函数满足在适当的范 围内降至零且产生用于对与观测一致的薄膜中的其他核素进行分析的背景 能谱的物理要求。然后，该最高动能核素的固有函数被用于再次产生在整个 能量范围的模拟能谱。该再次产生的能谱为次高发射动能核素的背景能谱， 且因而，该再次产生的能谱将被从测量到的能谱中去除以获取经处理的能 谱。在该经处理的能谱中，从次高动能范围中发射的核素可以用与第一核素 相同的方法进行分析。
本发明的一种实施方式还涉及一种确定薄膜中元素的分布轮廓的方法。 该方法包括激发并获取来自第一薄膜的光电子能量信号、获取与该电子能量 相关联的第一强度能谱、以及从该第一强度能谱中去除背景能谱。该背景能 谱可通过任何先前描述或此处所述的方法获取。去除该背景能谱将产生经处 理的能谱。该方法进一步包括为深度分布选择参数，该深度分布仅获取可用 信息。可用信息的含义如下文所说明。深度分布可通过其分布矩(质心=第 一阶矩，宽度=第二阶矩，非对称性=第三阶矩等等)来进行唯一确定。非弹性散射信号可以以作为深度和非弹性平均自由程之间的比率的函数的减小 振幅的总和来表示，其中深度和非弹性平均自由程均各自乘以分布矩。具有 期望的可重复性能的分布矩的给定阶数的检测取决于S/N比率。检测到的矩
的阶数越高，要求的信噪(S/N)比就越好。例如，对于第一薄膜中的给定 元素而言，该薄膜的S/N级别可使仅第一阶矩(质心)能以期望的可重复性 被检测到，而对于第二薄膜中的元素而言，该薄膜的S/N级别可使深度分布 的多个阶数均被检测到。在一种实施方式中，深度分布的参数是针对具有固 定形态分布和可变质心的第一薄膜而选择的。真实深度分布和简化深度分布 之间的信号差异将掩盖在噪声中，因此对该信号不产生影响。在本发明的一 种实施方式中，深度分布的参数将由一组适当选择的参数组成。在一种实施 方式中，均一分布(均匀薄膜)以阶梯函数的宽度被确定，且峰状分布通过 其最大值的深度和曲线宽度而被确定。在一种实施方式中，高斯形分布用于 检测首先的两个矩、宽度和质心。 一旦该深度分布的参数被选定，则经处理 的能谱和作为所述参数的函数的模拟能谱之间的差异被最小化以确定该深 度分布。在一种实施方式中，通过使用电子转移模型和假定的深度分布来获 取模拟能谱。然后使用传统的最小化算法来进行最小值运算，例如单纯型算 法、列文伯格一马夸尔特法(LevenbergMarquardt)算法或用于在预先计算 的能谱数据库中的最佳匹配的搜索。该最小化的结果中包括关于薄膜中该元 素的分布轮廓的信息。
本发明的实施方式还涉及一种确定薄膜中元素的分布轮廓的方法。该方 法包括激发并获取来自第一薄膜的光电子能量信号、获取与该电子能量相关 联的第一强度能谱、以及从该第一能谱中去除背景能谱。该背景能谱可通过 任何先前描述或此处所述的方法获取。去除该背景能谱将产生经处理的能 谱。该方法进一步包括对待测元素的深度分布进行参数确定，并将独立测量 到的该核素的固有能谱与来自经处理的能谱的固有能谱之间的差异进行最小化，该固有能谱还作为深度分布参数的函数。传统的最小化算法可用于执
行最小化运算，例如单纯型算法、LevenbergMarquardt算法或用于在预先计 算的能谱数据库中的最佳匹配的搜索。该最小化的结果中包括关于第一薄膜 中该元素的分布轮廓。
在一种实施方式中，元素的质心从分布轮廓中得以确定。薄膜中元素的 质心为薄膜中该元素的质量浓度中心的深度。该薄膜大多数的物理性质可由 该质心的信息来确定。根据本发明的一个方面，该质心值被用于预测在该薄 膜上或薄膜内制造的设备的电性质和/或用于控制或监视该设备的制造工艺。
本发明的一种实施方式还提供一种用以实时模拟具有已知分布轮廓的 模型能谱的方法。给定核素的深度分布的统计系数(在电子转移理论中已知 为部分强度一PI系数)特性和散射过程(弹性和非弹性)能够被预先计算， 例如，通过使用蒙特卡洛法(Monte Carlo)或其他合适的方法。该PI系数 可用于深度分布的稀疏集(sparse set)的预先计算并存储在PI系数数据库中。 在该数据库中可对该组作为定义相关深度分布的参数的函数的PI系数进行 组织。若干种插值技术可用于对该PI进行插值，例如N维线性或更高阶的 多项式插值。在对与随机深度分布相关联的能谱进行实时模拟的过程中，通 过在描述该深度分布的参数空间中插入经预先计算的PI系数来建立合适的 PI系数。然后，该被插入的PI系数被用于重建能谱，该能谱被用作模拟能 谱(例如背景能谱或关于感兴趣的元素的信号能谱)或被用于重建散射影响， 该散射影响可被从经处理的能谱(如前所讨论的)中去除以获取固有能谱。 如果关于所述深度分布的稀疏集的全部能谱被存储，那么即可完成同类型的 插值方案，但是这种存储将需要数据库具有更大的存储空间。
在本发明的另一个方面中，描述了一种直接从同种元素的多个核素的衰 减中提取该元素深度分布的质心的方法。
在本发明的另一个方面中，提供了一种确定在样品薄膜中的元素的分布轮廓的质心的方法。该方法包括激发并获取来自该薄膜中同种元素的两种核
素的光电子能量信号，并获取该光电子信号的强度比率(例如，对于SiON 中的氮元素，获取一个Nls光电子和一个NKLL俄歇光电子)。针对一组已 知特定元素(如氮)的质心的样品获取一组信号强度的比率，以产生校准函 数。样品薄膜的信号强度的测量到的比率与该校准函数相关联，从而确定该 元素分布轮廓的质心。薄膜中该元素的质心为该薄膜中该元素的质量浓度的 中心深度。该薄膜的大多数物理性质可通过使用质心值来确定。在本发明的 一个方面中，该质心值被用于预测在该薄膜中或薄膜上制造的设备的电性质 和/或控制/监视该设备的制造工艺。
深度分布信息还可从以不同发射角收集到的非散射电子的强度的衰减 中提取，例如使用角分辨X射线光电子能谱(ARXPS)。文献中描述的方法 基于一种假设，该假设为从深度z发射出的且以发射角0收集到的非散射电
子按因子el^来衰减。可通过将测量到的衰减与期望衰减之间的差异最优 化来建立粗略的深度分布，其中测量到的衰减为0的函数，期望衰减假设待 测元素的深度分布，即将作为元素深度分布iV(z)的函数的测量到的衰减(e)
-p^V(^;e^^最小化。这种测量受到由于忽略了所有电子在穿过材料/真空
界面时所经历的衰减的角度依赖性而引起的系统误差以及由于忽略了因为 弹性散射所带来的角度四散而引起的系统误差的影响。
在本发明的一种实施方式中，我们提出了一种方法，该方法在不同收集 角度上收集电子能谱，并通过使用反巻积技术(一种或多种可被用于例如快 速傅立叶变换反巻积或沃纳(Werner)博士反巻积定理的技术)来减去由于 在最小化之前界面交叉所引起的系统误差，从而消除来自该能谱的表面散射 的影响，从而对数据进行预处理。对于以使待测元素的深度分布扩展到典型 的弹性散射长度的方式来进行工程设计的样品而言，能被分析的所述经预处理的信号包括弹性散射对于改善结果精确性的影响。通过将弹性散射的影响 包括在对衰减的建模中来完成这种分析。将作为角度的函数的测量到的衰减 与所预测的衰减之间的差异作为假设的深度分布的函数而最小化，所预测的
衰减是通过包括弹性散射影响在内的蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟法对给定 的深度分布的衰减预测。可通过如上文所述的对所述深度分布进行参数确定 以及预先计算作为稀疏集参数的角度函数的衰减并将该衰减存储于数据库 中，来减小对于蒙特卡洛模拟的最小化速度的影响。特定深度分布所需的衰 减值可通过数据库插值来获取。
在本发明的若干实施方式中，我们已经描述了通过插值从一组预先测量 或预先计算的能谱中得到信号的实施方式，所述插值作为一种无需特定地测 量期望信号或产生该期望信号就可获取该期望信号的技术。在最小化处理过 程中产生的信号仅仅用于计算品质因数。品质因数通常被定义为单个数值， 该数值是测量到的信号与被模拟的信号之间差异的量化，例如均方误差被定
义为
品质因数=z(所测量的能量-模拟能量)2
能量
解决最小化问题的另一种可替代的方法为首先预先计算与所有包括在 稀疏数据库中的经预先计算的模拟能谱相关联的品质因数(稀疏品质因数)。 每个经预先计算的稀疏品质因数的值与一组唯一地定义深度分布的参数相 关联。该稀疏品质因数能够被精确地插值以产生品质因数表面。深度分布参 数空间中该表面的最小化可容易地通过众多最小化搜索方法中的一种来实 现，例如求根法或最陡下降法。该表面的最小化对感兴趣元素的深度分布轮 廓进行定义。
其他实施方式也得到了描述。通过以下结合附图的详细说明，本发明的 其他特征和优点将变得显而易见，所述附图通过示例的方式对本发明的原理 进行了阐述。


本发明的实施方式以实施例的方式进行说明，且不受到附图中的图示的 限制，在这些附图中，类似的参考标记表示类似的元件。本发明可通过下述 用于阐明本发明实施方式的说明书和附图而得到最好的理解。应当注意的 是，在本说明书中本发明的"一"或"一种"实施方式未必指同一实施方式， 而是指至少一种实施方式。在附图中
图1-3显示了可用于本发明某些实施方式的示例的分析系统；
图4显示了分析薄膜中元素的分布轮廓的示例的过程；
图5显示了确定样品薄膜中元素的分布轮廓的示例的方法；
图6显示了另一种确定样品薄膜中元素的分布轮廓的示例的方法；
图7显示了一种确定用于样品薄膜的背景能谱的示例的方法；
图8-9以图示显示了背景去除方法；
图IO显示了示例的可能的分布轮廓；
图11-12显示了一种使用强度比率来确定薄膜中元素的质心值的示例的 方法；
图13显示了可被用在使用信号强度比率来确定样品薄膜中元素的分布 轮廓的质心值的方法中的校准曲线；
图14显示了具有代表薄膜中多种元素的多个电子信号的示例的能谱；
图15-16显示了通过采用用于背景去除的模拟能谱来模拟一个或多个能 谱的示例的方法，以及对薄膜中的多种元素进行分析的方法；以及
图17-18显示了根据本发明一种或多种实施方式的示例的过程。
具体实施例方式
参考特定配置和技术对示例的实施方式进行了描述。本领域的普通技术 人员能够理解在所附权利要求的范围内所做出的各种变化和修改。此外，己知的元件、设备、成分、电路和工艺步骤等未详细列出。
本发明的实施方式涉及一种用于提取沉积于薄膜或超薄膜中的一种或 多种元素的深度分布信息和/或质心值的方法和系统。所述薄膜的膜厚度小于
20nm，大多数情况下小于10nm，甚至小于2nm。可预期的是，本发明的实 施方式也可类似地应用于分析厚度大于或约等于20nm的薄膜。在本发明的 一个主要方面中，薄膜中元素的深度分布轮廓得以确定。首先，在一个或多 个相对于样品表面正常方向的角度上收集到的一个或多个测量到的能谱(或 一个测量到的能量信号)被收集。其次，针对该薄膜中的所述元素而获取的 测量到的能谱的背景被从测量到的能谱中去除。所用的背景信息通过使用采 用一组选定的背景能谱的插值方法来获取。在一种实施方式中，测量到的能 谱通过使用光电子能谱系统而获取，例如X射线光电子能谱(XPS)。被去 除背景的测量到的能谱指的是针对所述元素的经处理的能谱。然后，该经处 理的能谱与模型化的或模拟的能谱或能量信号进行匹配。在一种实施方式 中，使用最优化和最小化方法以将该经处理的能谱与模拟能谱进行匹配，该 模拟能谱作为选定参数的函数，所述参数定义了所述元素的分布轮廓。当该 经处理的能谱与特定的模拟能谱之间的差异为最小时，与特定的模拟能谱相 关联的参数即提供薄膜中所述元素的分布轮廓。
在本发明的另一个主要方面中，元素深度分布的质心值通过使用信号强 度比率而得以确定，该信号强度来自同种元素的不同动能的发射信号(例如， 对于SiON中的氮，Nls光电子和NKLL俄歇光电子)。由于来自同种元素 (不同核素)，不同的发射线具有不同的动能。由于具有不同的动能，因此 来自每种核素的电子在穿过薄膜层时会受到不同的衰减。在穿越材料时，与 具有较低能量的电子相比，具有更高能量的电子受到的衰减更小。例如，将 氮作为示例的元素，来自氮的Nls核素的电子具有比来自NKLL核素的电子 更高的电子能量。在SiON薄膜中的氮元素分布的质心可通过使用Nls/NKLL强度的比率来确定。该强度比率由Nls和NKLL核素分别在不同发射能量的 不同的衰减长度X(Nls)和MNKLL)来控制。假设所述信号来自同种元素和同 样的深度分布，则所述信号比率与该薄膜中该元素的质心相关联。 一组关于 特定元素(例如氮)的一组已知质心的信号强度比率被提供以产生校准函数。 样品薄膜的测量到的信号强度比率与该校准函数相关联以确定该元素的分 布轮廓的质心。
通过上述讨论，术语"元素"可指特定层或基片的化学成分。术语"元 素"也可指沉积在特定层或基片上的元素核素。例如，铪氧化层包括铪和氧 元素，而二氧化铪层包括硅、氮和氧元素。"元素核素"或"光电子核素" 指具有特征能量的电子。单个元素可发射出若干不同的电子核素。例如，硅 基片可发射出两种具有不同动能的不同的特征电子。 一个电子可从硅原子的 2p轨道发射，而另一个电子可从硅原子的2s壳层发射。在另一个实施例中， 氧氮化硅层可以发射出两种具有不同动能的氮元素的不同的特征电子。 一个 电子可从氮原子的Nls轨道发射，而另一个电子可从氮原子的NKLL (俄歇 区域)发射。下文中的电子信号指的是属于特定电子核素的电子流。例如， "氮Nls电子信号"包括由氮原子从Nls区域发射出的电子。例如，"氮NKLL 电子信号"包括由氮原子从俄歇区域或NKLL区域发射出的电子。下文中讨 论的许多实施方式涉及当用光子轰击层时所发射出的光电子或电子。每种元 素核素可发射出一种或多种光电子核素，这些光电子核素可包括光电子信 号。电子能量信号可具有单一值或以谱线显示。
此处使用的特征化描述或分析指的是确定被分析的样品的一种或多种 特征。例如，特征化描述可指样品或部分样品的分布轮廓或深度轮廓、样品 中成分的浓度的确定、这些成分的分布或所述样品的一个或多个其他的物理 或化学特性的确定，例如区域厚度、所述区域中的连接状态、所述区域的元 素和化学成分。本发明特别地有利于确定所述浓度或样品薄膜中相对于深度的剂量成分(例如元素和/或化学核素)。
通过上述讨论，术语"分布轮廓(distribution profile)"通常可用于指薄 膜中沉积元素的沉积深度、沉积轮廓、沉积宽度以及质心值。分布的"质心
00
值"或"质心"的定义为质心=^-，其中W(z)为浓度深度分布且
o
z为深度。因此，该质心为薄膜中元素的平均深度，例如SiON薄膜中的氮 元素，或该元素质量中心的深度。"掺杂物"(dopant)通常指的是沉积于薄 膜中的元素(如氮)。"剂量"通常指的是沉积于薄膜中的元素或掺杂物的量 或浓度。
图1-3显示了可与本发明的一种或多种实施方式一起使用的示例的分析 系统。图1主要显示了用于特征化样品1602的示例性的分析系统1600的一 种实施方式。该分析系统1600包括处理系统1604 (例如，计算机设备)，该 处理系统1604可在一个或多个程序1606的控制下运行以用于实现根据本发 明的实施方式的一个或多个不同的深度轮廓、质心确定和/或特征化描述过 程。
具有样品表面1608的样品1602可由一种或多种成分构成，和/或该样 品1602可构成在基片1610上。术语"成分"此处定义为一种或多种元素和 /或化学核素。例如，这些成分可包括元素和/或化学核素，该元素和/或化学 核素由用于半导体制造、磁性存储介质或上述其他多种应用中的任何一种的 材料构成。换句话说，例如，在半导体制造过程中，样品可包括由氧、硅、 碳、氟、二氧化硅、氮等形成的层。
处理系统1604包括计算系统，该计算系统用于执行计算机程序或软件 1606以根据本发明的一些实施方式来提供样品的特征化描述。尽管处理系统 1604可使用程序1606来被执行，该程序1606使用处理器设备来执行，但是其他专门的硬件也可用于提供一些为了向用户提供样品的特征化描述所需
要的功能。同样地，此处所描述的术语"处理系统1604"除了可执行各种软 件程序的处理器设备以外，还包括任何专用的硬件或计算机。
处理系统1604可为例如任何固定或移动的计算机系统，例如个人计算 机和/或任何其他的专门计算单元，该专门计算单元作为根据本发明可用的分 析仪器的功能部件或补充部件。所述计算机系统的具体配置不受限制，且根 据本发明，绝大多数能够提供适当的计算性能和/或控制性能的任意设备都可 被使用。并且，各种外围设备，如计算机显示器、鼠标、键盘、打印机等均 可被考虑与处理系统1604中的处理器结合使用。例如，计算机显示器打印 机可用于显示深度轮廓信息，例如深度轮廓曲线，这些曲线显示了在样品各 深度上的成分(如元素和/或化学核素)浓度、在特定深度上的整个样品的成 分分布、该成分的能谱等。
根据本发明的分析系统1600包括X射线源1612，该X射线源1612用 于以X射线1614照射样品1602，从而导致光电子从该样品1602中逃逸。 如图1所示，X射线1614深深地穿入样品表面1602，激活光电子1616和 1618以使该光电子1616和1618从样品1602中逃逸。
分析系统1600还包括分析器1620，该分析器1620用于检测从样品中逃 逸的光电子1616和1618。分析器1620用于检测光电子以便产生代表该光电 子检测的信号以用于样品1602的分布轮廓分析。来自该分析器的信号与检 测到的光电子的强度相关联，该信号被提供给计算机设备，该计算机设备对 这些信号进行运算以提供光电子能量信息，且由此提供存在于样品表面中被 分析深度上的成分的信息。分析器系统1600可替换为传统的XPS系统、紫 外光电子能谱(UPS)系统、俄歇能谱系统等等，或与上述这些系统结合使 用。
图2更详细地显示了根据本发明的一些实施方式用于实现特征化描述的分析系统71的部分的示例性的实施方式。图2所示的分析仪器71用于分析 样品2 (该样品可以是前文所述的样品1602或其他样品)，该分析仪器71 提供了一种图1中主要显示的X射线源9、分析器7以及计算机设备13的 更为详细的示例性的实施方式。在Larson等人于1994年5月24日授权的名 为"Scanning and High Resolution X-ray Photoelectron Spectroscopy and Imaging."的美国专利5,315,113中已对图2进行了描述。图2的详细图表为 根据本发明可使用的X射线源和分析器的一种示例性的实施方式，且图2 的详细图表并不构成使本发明为任何此处所示的特定成分的限制。
图2的仪器71包括电子枪16，该电子枪16具有合适的电子透镜系统 18，该电子透镜系统18用于将电子束20聚焦在目标阳极24的表面22上。 所述电子枪16可以为将传统类型进行修改以对更高功率和更大波束尺寸最 优化。枪束20聚焦于阳极表面22上的选定点上。该选定点优选为在实际可 实现的前提下尽可能地小，如小至约4微米。电子束20在阳极表面的所述 点上的聚焦导致从阳极24、且特别是从所述选定的阳极点上产生X射线27。 电子枪可以为任何合适的枪，如可在20kV下以1瓦特到60瓦特功率运转的 具有从4微米到50微米可选择的电子束尺寸的电子枪，如美国专利5,315,113 中所描述的。
目标阳极24可以由任何金属构成，例如提供了期望的X射线发射能带 的铝。例如，该能带通常基本为较小能量宽度的线。优选地，该目标阳极处 于或接近于地面电位，且该电子枪的阴极在例如-20kV的负电压下工作，且 该阴极相对于阳极而影响包括预定能量的X射线的期望能带的X射线的产 生。在一种优选实施方式中，选定的能带为1.4866keV下的铝K-阿尔法 (alpha)线。
偏转板28选择性地将从电子枪16射出的电子束20指向或瞄准阳极24 上的所述点，该点选自阳极表面22上同类型点的阵列。来自偏转板控制器30的电压由处理器76通过线路80进行控制，该电压被施加到在x轴和y 轴方向上排列的所述偏转板以建立电子束的偏转量，且由此建立所述点的选 定位置。该点可以保持固定。可替换地，控制器30可提供横穿阳极平面聚 焦的电子束20的光栅，例如，横穿阳极表面的阳极点的阵列，且X射线27 随后从连续的阳极点发射。例如，光栅速度在色散方向上可为100Hz，且在 无色散方向上可为10kHz。
优选为单晶石英的布拉格(Bmgg)晶体单色仪34被放置以用于接收来 自阳极24的X射线27的一部分。该单色仪具有结晶取向(crystallographic orientation)和凹面酉己置(concave configuration) 35以用于当在样品表面12 上的X射线点被进行分析时，在例如K-阿尔法线的所期望的能带中选择并 聚焦X射线束36。所述X射线点为阳极点在样品表面12上的图像。可替换 地，所述X射线点的光栅可用于覆盖样品表面的期望的区域。样品2停留在 阶段40，该阶段40优选为具有正交测微定位器(orthogonal micrometer positioners) 41，该正交测微定位器用于关于该仪器中的支撑物44进行手动 或机动地定位。样品2可被移动以覆盖更大的表面积。
尽管优选使用布拉格晶体单色仪，但其他聚焦设备亦可能适用。该类聚 焦设备可以包括掠入射镜、菲涅耳波带板以及高低密度材料(如钨和碳)交 替的合成多层设备。在每种情况下，反射镜被弯曲以聚焦衍射X射线于样本 上。
用于分析仪器71的元件的适当排列基于传统的罗兰圆(Rowland circle) 46。在这种排列中，阳极表面22、晶体34以及样品表面12基本处在一个圆 上，例如，如Hammond等人于1973年11月13日授权的名为"Crystal Monochromator and Method of Fabricating a Diffraction Crystal Employed Therein."的美国专利3,772,522中所教导的。
X射线36使得光电子52从样品的选定的活性像素区域(pixel area)上被发射。电子能量通常包括范围在10eV以内的低能量峰，通常约为2至5eV， 以及在所选定的像素区域中表征化学核素(如化学元素和/或其电子键)的更 高的动能峰或线。在光栅的情况下，特征光电子随着横穿像素区域阵列的任 何化学性质的变化而变化，且低能量电子(通常称为"次级电子")也随着 表面状况而变化。光电子的检测和/或分析被用于提供关于样品表面选定像素 区域或横穿样品表面的光栅阵列区域的信息。出于此目的，术语"光电子" 中也可包括俄歇电子，因为它们亦是由X射线引发的。
在本发明的一种实施方式中，电子能量分析器54接收部分光电子52。 该分析器可为已知的或期望的类型，通常为磁性或静电的，该分析器根据电 子能量使光电子在预定线路68上发生偏转，且之后到达探测器70。通常为 电信号(电流或电压)的选定的控制信号被施加到偏转器上以建立偏转量， 从而代表在预定线路上发生偏转的光电子的选定能量。在例如磁性棱镜的磁 性分析器中，通过磁性线圈的电流信号被适当地选择，且在静电分析器中， 偏转电压信号被选择。
静电能量分析器的一种有用的类型为圆柱状类型，这在Gerlach等人于 1977年9月13日授权的名为"Scanning Auger Microprobe with Variable Axial Aperture."的美国专利4,048,498中己得到描述。在一种优选的可替换的实 施方式中，如图4所示，分析器54为半球状类型，如Watson于1973年10 月16日授权的名为"Apparatus and Method of Charge-Particle Spectroscopy for Chemical Analysis of a Sample."的美国专利3,766,381中所描述。该分析器 还包括透镜系统56，如用于输入到该分析器的静电透镜。该透镜系统56具 有中轴57，该系统56位于沿着该中轴的方向。透镜系统56可将物镜和减速 功能相结合以用于收集从有效像素区域发射出的光电子，并将处于期望的动 能范围中的光电子导入到分析器中。
静电透镜系统56可为传统形式，例如为Physical Electronics公司出产的PHI Omnifocus IVTM透镜。该透镜应包括数对具有来自源62的施加电压的正 交偏转板。该电压通过处理器76在该处理器的控制下与主电子束20的定位 或光栅的协作同步下被选择、改变或振荡，以用于集中离轴光电子，从而使 大部分电子达到缝隙84，并进入分析器54。
物镜透镜功能的一种可替换的选择为磁性透镜，优选为已知为不同的浸 没透镜(immersion lens)、单极片透镜(single pole piece lens)或通气管 (snorkel)透镜的类型，如在Gerlach于1989年3月7日授权的名为"Direct Imaging Monochromatic Electron Microscope."的美国专禾U 4,810,880中的描 述。这种物镜透镜位于样品下方，从而透镜的磁场可收集从样品表面发射出 的大部分光电子。为达到此目的，所述样品被置于浸没透镜附近，该样品被 插入到该浸没透镜与分离的静电透镜间，这些透镜形成所述透镜系统。更一 般地，该样品位于该浸没透镜和分析器之间。磁性透镜可具有从光栅的部分 样本表面发射出的电子的收集区域。
更进一步且优选地，所述透镜系统为具有两个球形栅格的静电透镜，类 似于Physical Electronics公司出产的Omega 透镜。这种透镜系统被用于 Physical Electronics公司出产的PHI Quantum 2000型的用于化学分析的电子 能谱法的扫描微探针(PHI Quantum 2000 Scanning ESCA Microprobe )。
来自电压源62的选定电压通过线路69被施加到分析器半球64、 66的 两端，选定能量的电子通过轨道68的狭窄范围，从而脱离分析器而进入探 测器70。该探测器70可以为传统的多通道探测器，例如，具有16条通道用 以探测在略微不同的轨道中经过分析器的小范围的电子能量。若期望或要求 某种类型的探测器，则还可在分析器和探测器之间额外放置透镜(未示出)。
来自探测器70的相应于光电子输入强度的信号在一条或多条线路72 (通过适当的放大器，未示出)上传输到处理单元76的分析部分74，该分 析部分74结合了控制电子组件和计算机处理过程。该处理过程提供电子能量信息，且由此提供关于所存在的成分的信息，且这些成分从特定样品的表 面区域发射出光电子。
所述信息被存储、并在监视器78上显示，和/或以图像、数字和/或图表
的形式打印出来。通过线路80从处理器到控制器30，将显示器(此处包括 处理过程)与电子束引导装置28、 30相协作，从而在选定或经扫描的表面 区域中的成分的映射被实现并显示。该映射提供相应于选定的像素区域位置 或相应于样品表面上的像素区域的光栅阵列的样品表面信息。
仪器71的其他部分，如次级电子探测器88和提供离子100的电子枪98， 被使用为如美国专利5,315,113所述。
根据本发明且优选地应用于薄膜的特征化描述，为了改善并且更迅速地 收集数据，所述透镜系统56被置于与分析器成恒定角度。该透镜系统56通 常沿着中轴57从光电子接收端59延伸到耦合于分析器54的半球部分的一 端。
回到分析系统1600 (图1)，该系统被配置为从同一样品1602的相同深 度上激发出多于一个电子。例如，该系统1600被配置为从样品1602中激发 出两个不同的光电子。在一种实施方式中，所述样品包括SiON薄膜以及从 该SiON薄膜中被激发出的电子，这些电子与沉积在该SiON薄膜中的氮元 素相关联。图1显示的分析系统1600被配置为激发出两种不同的光电子1616 和1618。在一种实施方式中，光电子1616来自该薄膜的Nls区域，且光电 子1618来自该薄膜的俄歇(NKLL)区域。X射线源1612被显示为一个单 元，但其可以包括不同的源，这些源可使得两个或更多不同的光电子从样品 1602中被激发。
如系统1600的分析系统对于实现本发明的一种或多种示例的实施方式 尤为有用。例如，系统1600用于测量具有已知的分布轮廓的样品，所得到 的测量结果用于产生用于分析未知样品的校准函数。用于该校准函数的测量结果由处理系统1604存储并进行处理。当对未知样品进行测量时，对此未 知样品的测量结果也由处理系统1604进行处理，并通过该处理系统使用所 提供的校准函数来进行插值。
图3显示了可用于本发明一些实施方式的另一种示例的分析系统1800。 该分析系统1800类似于分析系统1600。除了与系统1600类似的一些组件之 外，该系统1800还包括建模系统1830，该建模系统1830可用于产生与模拟 分布轮廓相关联的信号能谱或信号值。与系统1600类似，系统1800包括X 射线源1812、分析器1820以及处理系统1804。样品1802包括在基片1810 上形成的薄膜1808，该薄膜可使用系统1800进行分析。
系统1800可用于实现本发明的一种或多种示例的实施方式。通常地， 在这些方法中，通过将样品薄膜(如SiON)中的特定元素(如氮元素)的 测量到的能谱进行处理并将该测量到的能谱与模拟能谱进行比较来对样品 薄膜进行分析以确定该样品薄膜中所述元素的分布轮廓。在一个实施例中， 通过X射线源1812将X射线送入样品薄膜1808并激发出光电子1816的方 式来获取氮元素的电子能量信号。分析器1820对光电子1816进行检测，并 产生与光电子1816相关联的测量到的信号强度。
图4显示了一种示例的分析方法101，该方法说明了一种确定沉积于样 品薄膜中的元素的深度分布轮廓的通用的新方法。该样品薄膜可以沉积在或 以其他形式形成在基片或其他薄膜上。在操作100中，获取元素的电子能量 信号。该元素的信号可以由该元素的能谱来表示。该元素使用各种方法在样 品薄膜或基片上沉积。通常，对于沉积于薄膜上的元素，需要对该元素的沉 积深度、该元素的分布和/或该薄膜中的分布轮廓进行分析。在框102中，执 行背景去除。在框104中，获取经处理的电子能量信号。当背景从电子能量 信号中被去除时，所获取的信号值被称为"经处理的电子能量信号"。被移 除的背景包括由样品薄膜中的主体材料获取的能量信号，且其中不包括感兴趣的元素。移除所述背景仅提供了感兴趣的元素的能量信号的隔离，从而可 对样品薄膜中沉积的元素进行分析。在框106中，为了开始所述元素的分布 轮廓确定，使模拟分布轮廓进行改变(最优化)，直到与该模拟分布轮廓相 关联的模拟能量信号与经处理的电子能量信号相匹配。在一种实施方式中，
通过使用最小化和最优化算法，如单纯型算法或Levenberg Marquardt算法， 将经处理的电子能量信号与模拟能量信号相匹配。当经处理的电子能量信号 与特定的模拟能量信号之间的差异为最小时，匹配成功。因此，待测元素的 分布轮廓在框108中作为一个模拟分布轮廓被确定，该模拟分布轮廓用于计 算模拟能谱与经处理的能谱的最优匹配。
下文根据示例的方法101更详细地讨论本发明的各个方面。图5显示了 过程201的一种示例的实施方式，该过程201对沉积于样品薄膜中的元素的 分布轮廓进行分析。在一种实施方式中，提供具有待分析的感兴趣的元素的 样品薄膜的基片(例如，晶片)(框200)。在一种实施方式中，感兴趣的元 素为沉积在SiON薄膜上的氮元素。在其它实施方式中，提供了沉积在同一 薄膜或其他薄膜上的其它元素。沉积在各种类型的样品薄膜上的大量元素可 通过使用本发明的实施方式而被分析。
样品薄膜被置于诸如参考图l-3所讨论的分析系统中。分析系统的一个 实施例包括XPS。也可使用能从薄膜中激发出电子并由从该电子中释放的能 量或用于激发出电子的能量中产生可读结果的其他设备。在一种实施方式 中，以X射线照射(使用分析系统中提供的X射线源)样品薄膜，从而导 致光电子从该样品薄膜中逃逸。通过所述分析系统中提供的探测器对逃逸的 光电子进行检测。在每个能量级被检测到的光电子被计数，且该计数被转换 为代表所述薄膜的能量信号(能谱)并被报告。该能量信号用于所述元素的 分析。在204中，该元素的测量到的能量信号或能谱被获取。
然后，在212中，对该测量到的能量信号/能谱进行处理。在一种实施方式中，在处理该测量到的能量信号/能谱时，该测量到的能量信号/能谱的
背景信息206被移除或去除，如框208中所示。背景信息被移除后，在210 中获取经处理的能谱。
在216中，该经处理的能谱被最优化以确定样品薄膜中元素的深度分布 轮廓。在216A中，通过将经处理的能量信号/能谱与前文所述的模拟能谱之 间的差异最小化来获取该深度分布，例如使用最小化算法。从该经处理的能 谱中提取出固有能谱，且将该固有能谱与具有已知分布轮廓的固有能谱进行 最小化，以确定该元素的分布轮廓。
可替换地，在216B中，通过将参考固有能谱与所述的从经处理的能量 信号/能谱中得出的固有能谱之间的差异进行最小化来获取深度分布。该固有 能谱用于生成具有已知的分布轮廓的模拟能谱，并对照该经处理的能谱进行 最小化以确定所述分布轮廓。
该元素的分布轮廓的确定基于218中最小化/最优化处理的结果。
背景能量信号/能谱是由样品薄膜中除了感兴趣的元素以外的元素发射 出的信号/能谱，这些信号/能谱的发射动能高于待分析的核素的动能。在一 种实施方式中，为了寻找到合适的背景能量信号/能谱，获取与一组参考薄膜 相关联的一组参考背景信号/能谱。每一种参考薄膜与样品薄膜相比，除了该 参考薄膜缺少待测元素之外，两者都经过类似的处理和形成过程。换句话说， 每一种参考薄膜除了不具有沉积于其上的感兴趣的元素且该参考薄膜的厚 度与样品薄膜的厚度不同或略微不同之外，该参考薄膜均类似于样品薄膜。 用于分析样品薄膜的同一分析系统被用来获取参考薄膜的背景能量信号/能 谱。根据样品薄膜的厚度，特定的背景能量信号/能谱被通过插值从该组参考 背景信号/能谱中重建，或如果厚度恰当的话，仅从该组参考背景能谱中选择。
图6显示了根据本发明的背景去除方法的一种示例的实施方式的方法 300，该背景去除方法用于样品薄膜的所获取的测量到的能量信号/能谱。在302中，不同参考薄膜的一组参考背景强度能谱被收集。这些参考薄膜包括
具有不同参考薄膜厚度的薄膜。这些参考薄膜厚度的范围可为l-50nm，这 仅仅是厚度的一种示例的范围。所选择的参考薄膜厚度可覆盖从较宽的厚度 选择到较小的厚度选择，样品薄膜等类似物的厚度期望落入该范围内。在一 种实施方式中，背景强度能谱为利用前文所提及的分析系统202所获得的参 考薄膜的光电子能量信号。被用于参考薄膜的强度能谱为从该参考薄膜与样 品薄膜相同的区域中获得的能谱。
在304中，生成具有参考背景强度能谱的背景表，每个参考背景强度能 谱相应于各自的参考薄膜厚度。在一种实施方式中，该背景表包括作为厚度 (或深度)的函数的参考薄膜的强度能谱。该背景表可包括能与样品薄膜相 比的参考薄膜的其他可测量的值(厚度、剂量等)。
在306中，样品薄膜的厚度被确定。该样品薄膜的厚度可使用各种方法 来确定。确定样品薄膜的厚度的一种示例的方法在名为"Determining Layer Thickness Using Photoelectron Spectroscopy."的美国专利11/118,035 (代理人 巻号为7029.P026)中公幵，该专利的全部内容结合于此作为参考。可预计 的是，也可采用其他适用于确定薄膜厚度的方法。经确定的样品薄膜的厚度 使得该薄膜可与所述参考薄膜组相比较，该参考薄膜组具有如前所述的测量 到的背景能量信号。所述参考薄膜的厚度也可利用类似的方法进行确定。
在308中，背景强度能谱从样品薄膜中被移除。将样品薄膜的测量到的 强度能谱与背景表中的能谱相比较，首先，确定该样品薄膜的厚度是否与背 景表中参考薄膜中的一者的厚度相同。然后，若该薄膜厚度与背景表中参考 薄膜中的一者的厚度相匹配，则该特定的参考薄膜(具有相匹配的厚度)的 背景强度能谱被用于将背景从该样品薄膜中去除。若该薄膜厚度未在背景表 中，则从背景表中插入或重建数值以获取所述样品薄膜的背景强度能谱。因 而，从样品薄膜中去除的该背景强度能谱可为背景表中已存在的参考背景强度能谱或利用该背景表插入或重建的数值。
应当认识的是，尽管参考薄膜和样品薄膜的厚度是用于背景能谱插值的 一个特征，但也可使用薄膜的其他适用或常规的特征。其他适用的特征的实 施例包括浓度、剂量、沉积宽度、沉积条件、薄膜构成等等。
图7图示出了一组具有各自的能量信号的一组示例的参考薄膜的示例的 能谱。应当理解的是，此处所示的能谱仅仅用于说明目的，且谱线的形状和 相关数据可根据参考薄膜的特征而改变。更多或更少的能谱可包括于其中， 且该图中所示的示例的能谱可仅代表少数实际执行的特定实施方式。在一种 实施方式中，能谱形成于一组从特定薄膜获取的强度读数或数值中。
在图7中，X轴402代表从薄膜中激发出电子所需的能量或这些电子的 动能，且y轴404代表从参考薄膜中激发出来并被检测到的原子数目或电子 强度。所述原子数目或电子强度代表每一薄膜的能量信号并按照能量进行绘 图。在一种实施方式中，针对每个参考薄膜产生一条倾斜的谱线。在本图中， 显示了针对六个参考薄膜所获取的能量信号。这些参考薄膜的厚度范围为 2A-30A，此仅为示例性厚度。其他厚度亦可包括其中。例如，2A处的谱线 表明厚度为2A的参考薄膜的信号。随着参考薄膜厚度的增大，原子数目也 增大。在这种情况下，所有谱线的斜率随着厚度平稳地变化，因此未知厚度 的斜率值可通过插值来获取。例如，对于厚度为X的样品薄膜，该厚度在一 定的薄膜厚度之间，如在5A到10A之间，用于该样品薄膜的背景能谱通过 对厚度为例如5A到10A的参考薄膜的背景能谱进行插值而得以重建。例如，
若样品薄膜的厚度在5A到10A的范围之内，则该样品薄膜所建立的能谱能 量线为大致落在厚度为5A到10A之间的参考薄膜的能谱能量线之间的那条 能谱能量线。厚度为x的样品薄膜的重建的谱线可被用于该样品薄膜的背景去除。
图8-9图示出了包含有SiON的样品薄膜的一种示例的背景去除结果。在图8中，谱线602表明样品薄膜的测量到的能量信号能谱，该测量到的能 量信号能谱包括背景信号以及氮元素的信号。在图9中，如前所述，背景信 号被去除。谱线604代表仅由于氮元素所引起的能量信号。如前所述，将被 去除的背景信号通过将样品薄膜的薄膜厚度与背景参考薄膜的一组薄膜厚 度相比较而被确定。该样品薄膜的背景信号可为来自背景表的参考背景强度 能谱，或为利用插值重建的背景强度能谱。
在一种实施方式中，感兴趣的元素为沉积于氧氮化硅(SiON)薄膜中 的氮元素。测量到的能量信号的大部分处于Nls光电子信号区域，且该信号 的大部分是缘自非弹性散射的Si (Si2p以及Si2s)光电子区域，该Si光电 子区域源于SiON薄膜(以及源于下方的基片)。在一种实施方式中，为了模 拟一组参考背景强度值，Nls区域被选择。对于每个参考薄膜，在Nls能量 区域进行测量(在该参考薄膜中不存在氮元素)，该参考薄膜为Si02 (由于 在该参考薄膜中不存在氮元素)。随后，对测量结果进行曲线拟合以预测每 个参考薄膜的谱线的形状，该参考薄膜为特定薄膜厚度的Si02。该能谱的 Si02部分被称为"通用背景"。该通用背景对于给定测量厚度的SiON薄膜 的影响被视为与从相同厚度的Si02薄膜拟合和外推而得的信号相同。在 SiON薄膜上被测量到的Nls信号区域与同样Si02厚度的相应的通用背景之 间的差异被视为完全缘自来自该薄膜的非散射和非弹性散射的氮。该背景区 域的拟合和预测也可包括其他可能的表面污染层，如碳等。
图10显示了例如SiON中的氮元素的元素的模拟分布轮廓的若干实施 例。提供了模拟分布轮廓90A、 90B、 90C和90D。这些模拟的分布轮廓仅 用于说明目的，且其他的分布轮廓也完全是可能的。分布轮廓卯A、 90B、 90C和90D中的每一个都具有相关联的能谱。对于轮廓90A-90D中的每一 个，所述元素的分布轮廓具有从沉积于薄膜中的该元素的总浓度的O.l到沉 积于薄膜中的该元素的总浓度的0.9的浓度范围。对于所述轮廓90A-90D中的每一个，所沉积的元素的深度范围为1A-7A。每个分布轮廓90A-90D的 分布轮廓均被存储。每个轮廓相关联的谱线也被获取。若样品薄膜的经处理 的能谱(如能谱A)与轮廓90A的能谱值相匹配，则可预计的是，该样品薄 膜中该元素的分布与轮廓90A中该元素的分布相类似。若样品薄膜的经处理 的能谱(如能谱A)与轮廓卯B的能谱值相匹配，则可预计的是，该样品薄 膜中该元素的分布与轮廓90B中该元素的分布相类似。可产生或模拟各种分 布轮廓。相关联的谱线也可被确定并存储到数据库中。诸如过程800的过程 可从所述数据库中提取出特定的分布轮廓，并如前所述地进行比较。在一种 实施方式中，选择特定的分布轮廓来与经处理的能谱进行比较是自动化的和 /或连续的，直到经处理的能谱找到匹配分布为止。
图11显示了利用相同元素的信号强度的比率的特征化描述过程105。在 过程105的一种实施方式中，电子能量信号被获取以用于103中的样品薄膜 中的元素。在110中，获取所述元素的测量到的能量信号的比率。获取来自 同种元素的至少两个不同的电子核素。样品薄膜的分析涉及利用来自同一元 素的两种或更多种不同电子核素的元素的测量到的能量信号。在一种实施例 中，该元素为氮元素，且样品薄膜为氧氮化硅薄膜。氮元素的两种不同的特 征电子被发射出，且每一个特征电子具有与另一个不同的动能。在一种实施 方式中， 一个从氮原子的Nls轨道发射出的电子被称为"Nls能量信号"， 而另一个从氮原子的NKLL (俄歇区域)发射出的电子被称为"NKLL能量 信号"。在一种实施方式中，该元素的两种测量到的能量信号的比率指示该 薄膜中所述元素的质心。在112中，该能量信号比率与校准函数相比较，以 确定在该样品薄膜中的该元素的分布轮廓。
图12显示了确定薄膜(如SiON)中元素(例如氮)的质心的示例的方 法1400。在方法1400中，同种元素核素的两种不同的能量信号的比率被用 于这种分析。在一种实施方式中，感兴趣的元素为氮元素。在本实施方式中，氮元素在Nls区域和NKLL (俄歇)区域的能量信号被用于这种分析。在不 超出本发明范围的情况下，亦可采用其他能量信号。
在1402中，提供了一种晶片。该晶片包括具有待分析的元素的样品薄 膜。例如，该晶片为半导体基片，该半导体基片具有形成于其上的薄膜SiON 和待分析的氮元素。在1404中，该晶片被置于分析系统中，例如前述的XPS。 在1406中，获取SiON薄膜中的氮元素的两种能量信号。在1408中，对所 述能量信号进行处理。这些能量信号被处理以移除所有的背景噪音或其他不 属于所述信号的信息，该信号来自从样品薄膜激发出的能量。在1410中， 对所述元素的信号强度比率进行计算。氮元素在Nls区域的信号强度被表示 为"I(Nls)"，且氮元素在NKLL区域的信号强度被表示为"I(NKLL)"。上 述信号强度的比率被表示为"R(样品)"。该比率R(样品)可以表示为
R(样品)=1(Nls)/I(NKLL) ( 1 )
至少基于下述原因，在Nls核素和NKLL核素的能量信号的比率对质 心的确定是有用的。当两种不同的能量信号穿过SiON薄膜时，它们的衰减 不同。例如，来自Nls核素的能量信号的衰减比来自NKLL核素的能量信号 的衰减要小得多。导致这种情况的一个原因在于，在特定的深度，Nls核素 以比NKLL核素更高的动能被发射出，且因此，Nls核素的信号的衰减比具 有较低发射能量的NKLL核素的能量的衰减要小。来自Nls和NKLL区域 的能量信号的比率随着氮元素的深度变化而变化。因此，这些信号强度的比 率与质心位置的相关关系可表示为
1(Nls)/I(NKLL) e-"，"/e-fc/^鹿」 (2)
其中"tc"表示所述元素的质心值，且"X"表示在特定区域中的该元素 的衰减长度。因此，^Nls)表示来自Nls核素的氮元素的衰减长度，且 i(NKLL) 表示来自NKLL核素的氮元素的衰减长度。所述衰减长度值为已知或可确 定。因此，所述比率允许提取样品薄膜中所述元素的质心。可预期的是，也 可使用元素在其它区域上的能量信号。在一种实施方式中，为了确定SiON
薄膜中氮元素的质心，提供了校准函数。在1412中，提供了一组在SiON薄 膜中的氮元素的不同的已知质心值的强度比率。获取具有不同质心的沉积的 氮元素的信号强度的比率。这些信号强度的比率根据所述薄膜中该元素的深 度分布的质心而变化，如图13所示。在1414中，该元素的信号强度比率与 氮元素在不同深度的一组强度比率相比较，以确定样品薄膜中的氮元素的质 心。
在1416中，进行掺杂物校正(d叩ant correction)和/或样品薄膜中氮元 素的确定。在采用XPS或俄歇能谱的实施方式中，通常仅对样品薄膜表面 的10nm进行测量。样品薄膜中所述元素的分布的平均深度可在所报告的原 子浓度或薄膜成分剂量中引入一些解释误差。若薄膜掺杂物(元素沉积)的 平均深度位于该薄膜的表面，则无须考虑测量到的信号的衰减。另一方面， 若相同数目原子的元素的平均深度(质心)为例如3nm，且电子衰减长度X
为3nm，则仅小部分发射出的电子信号(e—将会被检测到。为了提高 所报告的剂量或原子浓度结果的正确度，感兴趣的元素的测量到的信号强度
将必须以因子1//—"/^来进行校正。
为了校正标准XPS剂量的测定，假定感兴趣的元素具有均一的深度分
_^_
布，使用校正因子<formula>formula see original document page 43</formula>。在该校正因子中，丁=薄膜厚度，
ME(Si2p))Si02=Si02中Si2p核素的衰减长度，以及X(E(Nls))Si02=Si02中Nls
核素的衰减长度。
图13显示了示例的校准图1500。 x轴代表质心值，且y轴代表信号强 度的比率值。该比率值依照相关联的质心值进行绘图。该强度比率的质心值可通过使用上述等式(2)来确定。还可获取校准函数，例如，线性回归函
数。例如，用于图1500的校准函数可表示为y:mx+b;其中"m"为谱线的 斜率，且"b"为y截距。对于特定的样品薄膜， 一旦其强度比率如上文所 述被确定，其质心值也可从线性等式中获取，即质心-x气y-b)/m。
本发明的另一种实施方式涉及一种隔离信号的方法，该信号由从不同核 素(背景能谱)发射出的信号中的第一核素(信号能谱)发射，该不同核素 的初始发射动能大于第一核素的动能。由不同核素发射出的光电子将通过非 弹性散射而损失能量，并将在与来自第一核素的光电子相同的能量范围内被 检测。被检测到的能谱为背景能谱和信号能谱的总和。
一种从测量到的能谱中去除背景能谱的方法为获取背景能谱的独立的 测量结果，即通过收集样品(背景样品)上的光电子能谱，该样品(背景样 品)具有相同的感兴趣的样品的主体/表面性质，所述感兴趣的样品不包含待 分析的元素。
通常准备这样的背景样品是很困难的。本发明的一种实施方式涉及一种 利用电子转移理论的主要原理来重建所述背景能谱的方法。组成主体物的绝 大部分背景元素具有已知的(或均一的)深度分布，因此，若给定每种核素 在高发射动能下的固有能谱，则全背景能谱可被重建、标准化并被去除以隔 离由具有未知的深度分布的核素发射出的光电子的能谱。
例如，参照图14，薄膜可包括铪(Hf)、硅(Si)和氮(N)。在一种情 况下，氮元素为感兴趣的元素。在一个实施例中，对于该薄膜的所有能谱， 位于约1250KE (动能)处的一个峰为来自铪的Hf4f的峰，在约1050KE处 的另一个峰为来自硅的Si2p的峰，在约850KE处的另一个峰为来自硅的Si2s 的峰，且在约800KE处的峰为来自氮的Nls的峰。如此处所示，来自铪的 Hf4f以及来自硅的S^和S^的谱线(或能谱)构成了对于氮元素Nls的谱 线(能谱)的背景。因此，为了仅仅对来自Nls区域的信号进行分析或隔离，
44能谱尤其是Hf4f、 Si2p和SL需要被移除。在没有适当的参考薄膜的情况下， 背景能谱线可通过使用一种或多种本发明示例的方法来进行模拟。
图15显示了示例的方法2200，该方法说明了一种分析例如与图14所示
的薄膜类似的薄膜中的一种或多种元素的方法。薄膜中的一种或多种元素可
以是薄膜中的另一种元素的背景材料。在方法2200中，首先获取一种元素 的能谱，然后将该能谱作为另一种元素的背景能谱。在一种实施方式中，首 先对显示出最高动能(KE)的核素进行分析，且该核素被用作与其他所有 较低发射动能核素相关联的能谱的背景。在图14所示的实施例中，首先将 对Hf4f能谱进行分析和重建。作为最高发射动能核素，其背景仅是可以以线
性拟合来近似的剩余的放射线。仅仅含有Hf4f能谱区域的能谱分区被选择并
被用于确定Hf4f的深度分布，如在前文Nls实施例中所述。若Hf4f能谱深度 分布已知，如Hf4f能谱是主体均一材料的一部分的情况下，则可跳过确定
Hf4f能谱深度分布的步骤。若给定Hf4f深度分布，则可在所收集的测量到的
能谱的全能量范围内并在去除恰当的标准化之后，产生模拟能谱。现在，所 述经去除的能谱将为剩余核素的能谱的重叠，在该实施例中，剩余核素为 Nls、 Si2p和S^。对下一个最高发射动能核素可重复同样的过程。
可替换地，每个核素的深度分布可通过最优化方法被同时确定，所述最 优化方法类似于在Nls实施例中所说明的方法，即通过将全测量的能谱和模 拟能谱之间的差异最小化，该模拟能谱由每种核素的模拟能谱重叠而成。由 于从最高发射动能核素开始对全能谱进行了分析，因此，无需从处于较高发 射动能的核素中去除背景能谱。
为了实现全能谱分析，需要确定被分析的能谱中所存在的每种核素的固 有能谱。为达此目的，需要一组所有核素的深度分布均已知的参考晶片。例 如，无覆盖的Si晶片可用于提取Si金属固有能谱，而纯Hf02晶片则可用于 确定Hf4f、 Hf4d、 Hf4p固有能谱以及02s、 Ols等等。参照图16，对于每种参考晶片，在701中，仅仅包含最高发射动能谱线的能谱的能量区域被选择。在703中，在所述能量范围内对该核素的固有能谱进行计算，并在较低 能量处将该固有能谱线性外推至零。在705中，利用在703中找到的固有能 谱和所述元素的已知的深度分布来生成全能量范围能谱。在707中，将经重 建的能谱从所测量到的能谱中去除以获取下一种核素的去除背景的能谱。对 下一个最高动能核素的背景去除能谱重复地操作相同的程序。用于以图16中所描述的实施方式来分析参考晶片的固有能谱可用于确 定如前所述的样品薄膜中的一种或多种元素的未知的深度分布。在回归中实 时产生一个或多个模拟能谱的过程可能是耗费时间的。为了克服这一缺点， 我们可以对每一能谱的PI系数进行预先计算，并利用该PI系数来重建所述 能谱。在一种实施方式中，提供了一种实时模拟具有已知分布轮廓的经模拟的 能谱的方法。对给定核素的深度分布的PI系数特征和散射过程(弹性以及 非弹性)进行预先计算，例如，通过利用Monte Carlo或其他合适的方法。 针对稀疏集的深度分布来预先计算所述PI系数，并将该PI系数存储于PI 系数数据库中。可在数据库中组织一组作为定义相关深度分布的参数的函数 的PI系数。在与任意深度分布相关联的能谱的实时模拟过程中，可通过将 预先计算的PI插入描述该深度分布的参数空间内而得到恰当的PI。这些被 插入的PI系数随后被用于重建作为模拟能谱(例如，背景能谱或关于感兴 趣的元素的信号能谱)的能谱，或用于重建从经处理的能谱中去除的散射影 响(如前所述)以获取固有能谱。若与稀疏集的深度分布相关联的全能谱被 存储，则可完成同类型的插值方案，但这需要该数据库具有更大的存储空间。本发明的实施方式对于一些氧化层的特征化尤其有利。例如，这种氧化 层可以包括二氧化硅层、氧氮化物层、氮化的氧化物层、氧氮化硅(ONO) 薄膜等等。例如，这种氧化层可以形成为厚度约小于10纳米、甚至小于2纳米的薄膜，并可作为诸如场效应晶体管(FET)的半导体设备制造中的栅 氧化层。这些晶体管用于包括处理设备、存储设备等在内的各种集成电路设 备中。并且，本发明有利于以精确的定量结果和化学成分信息来测量薄型的植入区域的形状和剂量。例如，在半导体设备的形成中，可以以BF2植入硅基片。本发明可用于以植入硅基片样品的深度轮廓来对这样形成的被植入的 薄层或区域进行特征化描述。此外，本发明的实施方式可用于预测如前所述的在样品薄膜内或样品薄膜上形成的设备的电性能或参数。图17显示了利用分布轮廓、厚度和/或样 品薄膜5004中元素的质心值来预测电气产品性能的示例的过程5000。样品 薄膜5004可形成在诸如晶片的基片样品5002上。样品薄膜5004中元素的 分布轮廓、厚度以及质心值均可通过前文所述的方法得以确定。在一种实施 方式中，样品薄膜5004被置于轮廓系统5006中，用以如前文所述地确定该 样品薄膜5004的分布轮廓、厚度以及质心值。从该轮廓系统5006中所获取 的数值随后被传送至预测产品性能分析系统5008。在此处，元素的分布轮廓、 元素的质心值以及薄膜厚度被用以对形成在该样品薄膜内或该样品薄膜上 的设备的电参数进行预测。例如，设备的驱动电流和阈值电压可通过利用所 述元素的质心值来进行预测以得到"预测的电参数"。该预测的电参数随后 可被反馈入制造过程控制器5010，从而可相应地或根据期望的产品性能对处 理参数进行控制、监视和/或修改。例如，可通过利用质心/厚度值对形成该 样品薄膜的温度、压力、时间、厚度、剂量等等因素进行监视和/或修改以获 取期望的结果。此外，诸如质心/厚度的无量纲数值可用于与特定电参数相关 联。从而，可利用来自所述轮廓系统的结果来对薄膜的电参数进行预测、监 视、控制或修改。制造过程控制器5010可利用该信息来控制系统中的其它 过程(框5012)，诸如控制用于设备制造的沉积、植入或蚀刻过程。图18显示了利用预测的电气产品性能的示例的过程5001，该预测的电气产品性能利用了样品薄膜5004中元素的分布轮廓、厚度和/或质心值。如前所述，样品薄膜5004可形成在诸如晶片的基片样品5002上。样品薄膜5004 中元素的分布轮廓、厚度以及质心值可如前文所述地被确定。在一种实施方 式中，具有X射线源5006的光电子系统，如XPS系统，被用于从样品薄膜 5004中激发出一个或多个光电子以用于分析，如前文所述。分析器5008用 于如前文所述地分析样品薄膜5004。随后，所得数据被输入到轮廓系统6000 用以进行如前文所述的确定分布轮廓、厚度以及质心值的分析。在轮廓系统6000中，如前文所述，进行诸如强度比率确定、分布轮廓 和质心值确定的分析。在一种实施方式中，获取元素的信号强度且产生强度 比率。该比率与校准函数相关联以用于确定该元素的质心值，如前文所述。 在另一种实施方式中，获取元素的测量到的能谱。利用前文所述的任何一种 方法来执行背景去除以获取经处理的能谱。然后利用前文所述的方法进行最 小化和最优化操作(利用恰当的参数来模拟能谱)以确定该元素的分布轮廓。 也可获取质心值。从轮廓系统6000获取的数值随后被传送至预测产品关联系统7000。在 此处，将这些数值与诸如温度、时间、压力、厚度以及电参数等参数相关联。 该元素的分布轮廓、该元素的质心以及薄膜厚度随后都可用于预测形成在该 样品薄膜内或该样品薄膜上的设备的电参数，如前文所述。例如，设备的驱 动电流和阈值电压可通过利用该元素的质心值来进行预测以得到预测的电 参数。该预测的电参数随后可被反馈入制造过程控制器8000，从而可相应地 或根据期望的产品性能对处理参数进行控制、监视和/或修改。例如，可通过 利用质心/厚度值来对形成该样品薄膜的温度、压力、时间、厚度、剂量等等 因素进行监视和/或修改以获取期望的结果。此外，诸如质心/厚度的无量纲 数值可用于与特定电参数相关联。从而，可利用来自所述轮廓系统的结果来 对薄膜的电参数进行预测、监视、控制或修改。制造过程控制器8000可利用该信息来控制系统中的其它过程(框9000)，诸如控制用于设备制造的沉 积、植入或蚀刻过程。本领域技术人员从上述说明书中将会认识到，所述样品可以是众多不同 形式中的一种。例如，该样品可以是形成于基片上的层或形成于基片内的区 域，也可以是由受益于根据本发明的特征化描述的材料所构成的其他任何样 品。同样地，本发明不受本文中所列出的任何特定材料或结构的限制。然而， 在对一些薄膜，例如栅氧化层的栅极介电层进行特征化描述过程中，本发明 的确具有独特的优点。尽管本发明以若干实施方式进行描述，但本领域普通技术人员会认识到 本发明不限于所述的实施方式。在所附权利要求的精神和范围内，本发明的 方法和设备可以通过修改和改造而得以实施。因此，本说明书被视为说明目 的而非限制。示例的实施方式已经公开，在所附权利要求限定的本发明的精神和范围 之内，可对所公开的实施方式进行修改和变化。
权利要求
1. 一种方法，该方法包括获取与从样品薄膜中的一种或多种元素中激发出的电子能量相关联的第一能谱；获取经处理的能谱，所述经处理的能谱具有移除了背景能谱的所述第一能谱；最优化作为所述一种或多种元素的元素分布轮廓的函数的模拟能谱；利用最小化算法将所述经处理的能谱与所述模拟能谱相匹配；以及基于所述匹配和所述最小化来确定所述样品薄膜中的所述一种或多种元素的分布轮廓。
2. 根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括下列各项中的至少 一项确定所述样品薄膜中的所述一种或多种元素的质心值； 确定所述样品薄膜中的所述一种或多种元素的剂量水平； 校正所述样品薄膜中的所述一种或多种元素的元素剂量水平； 预测形成在所述样品薄膜内或形成在所述样品薄膜上的设备的电参数；以及控制形成在所述样品薄膜内或形成在所述样品薄膜上的设备的电参数。
3. 根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括 确定所述样品薄膜中的所述一种或多种元素的质心值； 确定所述样品薄膜的厚度；获取所述样品薄膜的所述质心值与所述厚度的比率；以及 对形成在所述样品薄膜内或形成在所述样品薄膜上的一个或多个设备 的一个或多个电参数执行监视、预测以及控制中的一者。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中从所述第一能谱中移除的背景能谱为经重建的背景能谱。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述经重建的背景能谱是从测量到的能谱中提取的，该测量到的能谱包含多个元素和与所述元素相关联的相应的多个核素的重叠。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中获取所述经处理的能谱进一步包括从能与所述样品薄膜比较的且不具有沉积于其上的所述元素的薄膜中获取一组背景值能谱，每个所述背景能谱具有与围绕所述薄膜的所选择的参数相关联的数值；产生包括所述背景能谱的背景表，该背景能谱为所述所选择的参数的函数；以及基于围绕所述样品薄膜所选择的参数来对用于所述样品薄膜的背景值进行选择，该选择包括下列各项中的一项(a)选择选自所述背景能谱组的背景能谱，该背景能谱具有与所述样品薄膜相匹配的所选择的参数，以及(b)利用所述背景表和所述所选择的参数对背景能谱进行插值。
7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一能谱是利用光电子能谱系统以恒定发射角来获取的。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一能谱是利用光电子能谱系统以选自0至45度范围的恒定发射角来获取的。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一能谱是利用光电子能谱系统来获取的，并且其中所述第一能谱选自以多个发射角同时进行的多个测量，其中每个测量均以恒定的发射角进行。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中最优化作为元素分布轮廓的函数的所述模拟能谱并将所述经处理的能谱与所述模拟能谱相匹配进一步包括定义一个或多个用于产生所述模拟能谱的参数。
11. 根据权利要求io所述的方法，其中所述一个或多个参数是基于信噪分析来进行选择的。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中最优化作为元素分布轮廓的函数的所述模拟能谱并将所述经处理的能谱与所述模拟能谱相匹配进一步包括将预先计算的所述模拟能谱的品质因数最小化，并通过从品质因数表面进行的插值来确定品质因数的最小值。
13. —种方法，该方法包括收集一组参考薄膜的一组参考背景强度能谱，该参考背景强度能谱为围绕所述参考薄膜的所选择的参数的函数，每个所述参考薄膜包括样品薄膜的主体材料；从所述样品薄膜测量到的强度能谱中移除背景强度能谱以产生经处理的能谱，其中所述样品薄膜具有沉积于该样品薄膜中的感兴趣的元素，其中所述被移除的背景强度能谱为下列各项中的一项(a)为具有与所述样品薄膜相匹配的所述所选择的参数的所述参考背景强度能谱收集的参考背景强度能谱，以及(b)来自所述一组参考背景强度能谱的经插值的背景强度能谱。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述所选择的参数包括薄膜厚度，并且其中所述一组参考背景强度能谱是被作为薄膜厚度的函数而收集的，并且其中所述被移除的背景强度能谱为下列各项中的一项(a)为具有与所述样品薄膜的薄膜厚度相匹配的薄膜厚度的所述参考背景强度能谱收集的参考背景强度能谱，以及(b)来自利用所述样品薄膜的薄膜厚度的所述一组参考背景强度能谱的经插值的背景强度能谱。
15.根据权利要求14所述的方法，该方法进一步包括最优化作为所述样品薄膜中的所述元素的模拟轮廓分布的函数的模拟强度能谱；利用最小化算法将所述经处理的能谱与所述模拟强度能谱相匹配；以及基于所述最优化和匹配来确定所述样品薄膜中的所述元素的分布轮廓。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述方法是自动化的。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述匹配包括自动地最优化作为模拟分布轮廓的函数的所述模拟强度能谱，以及将所述经处理的能谱与所述模拟强度能谱相匹配，并且重复所述最优化和所述匹配直到获取匹配或近似匹配。
18.根据权利要求17所述的方法，该方法进一步包括确定所述样品薄膜中的所述元素的质心值；确定所述样品薄膜中的所述元素的剂量水平；校正所述样品薄膜中的所述元素的元素剂量水平；预测形成在所述样品薄膜内或形成在所述样品薄膜上的设备的电参数;以及控制形成在所述样品薄膜内或形成在所述样品薄膜上的设备的电参数。
19. 根据权利要求16所述的方法，该方法进一步包括-确定所述样品薄膜中的所述元素的质心值；确定所述样品薄膜的厚度；获取所述样品薄膜的所述质心值和所述厚度的比率；以及对形成在所述样品薄膜内或形成在所述样品薄膜上的一个或多个设备的一个或多个电参数执行监视、预测以及控制中的一者。
20. 根据权利要求13所述的方法，其中所述一组参考背景强度能谱是利用光电子能谱系统以恒定发射角对所述一组参考薄膜进行测量来收集的，且其中所述测量到的强度能谱是利用所述光电子能谱系统以所述恒定发射角对所述样品薄膜进行测量来收集的。
21. 根据权利要求13所述的方法，其中最优化作为元素分布轮廓的函数的所述模拟能谱且将所述经处理的能谱与所述模拟能谱相匹配进一步包括定义用于产生所述模拟能谱的一个或多个参数。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述一个或多个参数是基于信噪分析而被选择的。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中最优化作为元素分布轮廓的函数的所述模拟能谱且将所述经处理的能谱与所述模拟能谱相匹配进一步包括将预先计算的所述模拟能谱的品质因数最小化，并通过从品质因数表面进行的插值来确定品质因数的最小值。
24. —种方法，该方法包括激发沉积于样品薄膜中的元素的至少两种电子能量；获取所述电子能量的强度比率值，该强度比率值包括与所述电子能量相关联的第一强度值和第二强度值，所述第一强度值和所述第二强度值代表所述元素的第一电子能量值和第二电子能量值；将所述强度比率值与关联函数相关联，该关联函数与作为参考薄膜中的所述元素的质心的函数的一组强度比率值相关联，所述参考薄膜能与所述样品薄膜相比较；以及基于所述关联来确定所述样品薄膜中的所述元素的质心。
25. 根据权利要求24所述的方法，其中该方法进一步包括通过从沉积于每个所述参考薄膜中的所述元素中激发所述两种电子能量来获取所述元素的一组强度比率值，该参考薄膜具有己知的质心值；以及产生作为质心的函数的所述元素的强度比率值。
26. 根据权利要求25所述的方法，该方法进一步包括确定所述样品薄膜中的所述元素的质心值。
27. 根据权利要求26所述的方法，该方法进一步包括下列各项中的至少一项确定所述样品薄膜中的所述元素的剂量水平；校正所述样品薄膜中的所述元素的剂量水平；预测形成在所述样品薄膜内或所述样品薄膜上的设备的电参数；以及利用所述样品薄膜中的所述元素的质心值来控制形成在所述样品薄膜内或所述样品薄膜上的设备的电参数。
28. —种方法，该方法包括利用光电子能谱系统以及利用恒定发射角来获取样品薄膜中的元素的强度能谱；利用所述强度能谱来确定所述样品薄膜中的所述元素的质心值，其中所述方法对所述样品薄膜是非破坏性的；将所述质心值与所述样品薄膜的一个或多个电参数相关联；以及执行下列各项中的至少一项监视所述样品薄膜的一个或多个制造过程、控制所述样品薄膜的一个或多个电参数、设计所述样品薄膜的一个或多个制造过程、预测所述样品薄膜的一个或多个制造过程、以及基于所述经确定的质心值来确定和校正所述元素的剂量。
29. —种方法，该方法包括获取薄膜的测量到的能谱，该薄膜具有由多个核素发射出的信号，每个核素均具有发射动能，所述测量到的能谱覆盖多个分区；获取第一核素的固有函数，该第一核素在第一预定分区中具有最高的发射动能；以及重建具有最高发射动能的所述第一核素的完整的第一能谱，该完整的第一能谱覆盖所述测量到的能谱的所有分区，并且重建是通过利用所述固有函数和外推方法来完成的。
30. 根据权利要求29所述的方法，该方法进一步包括利用所述完整的第一能谱作为具有第二最高发射动能的第二核素的背景能谱。
31. 根据权利要求29所述的方法，该方法进一步包括从所述测量到的能谱中去除所述背景能谱；以及获取所述第二核素在第二预定分区上的第二固有函数；以及重建具有所述第二最高发射动能的所述第二核素的完整的第二能谱，该完整的第二能谱覆盖所述测量到的能谱的所有分区，并且重建是通过利用所述第二固有函数和所述外推方法来完成的。
32. 根据权利要求31所述的方法，该方法进一步包括最优化作为第一元素的模拟轮廓分布的函数的模拟强度能谱，该第一元素与所述薄膜中的所述第一核素相关联；利用最小化算法将所述完整的第一能谱与所述模拟强度能谱相匹配；以及基于所述最优化和匹配来确定所述薄膜中的所述第一元素的分布轮廓。
33. 根据权利要求32所述的方法，该方法进一步包括确定所述薄膜中的所述第一元素的质心值；确定所述薄膜中的所述第一元素的剂量水平；校正所述薄膜中的所述第一元素的元素剂量水平；预测形成在所述样品薄膜内或所述样品薄膜上的设备的电参数；以及控制形成在所述薄膜内或所述薄膜上的设备的电参数。
34. 根据权利要求31所述的方法，该方法进一步包括最优化作为第二元素的模拟轮廓分布的函数的模拟强度能谱，该第二元素与所述薄膜中的所述第二核素相关联；利用最小化算法将所述完整的第二能谱与所述模拟强度能谱相匹配；以及基于所述最优化和匹配来确定所述薄膜中的所述第二元素的分布轮廓。
35. 根据权利要求34所述的方法，该方法进一步包括确定所述薄膜中的所述第二元素的质心值； 确定所述薄膜中的所述第二元素的剂量水平； 校正所述薄膜中的所述第二元素的元素剂量水平；以及 控制形成在所述薄膜内或形成在所述薄膜上的设备的电参数。
36. 根据权利要求29所述的方法，其中所述测量到的能谱是利用光电 子能谱系统以恒定发射角对所述薄膜进行测量而收集的。
37. —种方法，该方法包括计算一组能谱的一组统计系数特征，所述一组统计系数作为定义参考薄 膜的所选择的参数的函数而被组织于数据库中；利用所述数据库和所述样品薄膜的已知的参数来模拟样品薄膜的背景 能谱；以及从所述样品薄膜的测量到的能谱中去除所述背景能谱以产生所述样品 薄膜的经处理的能谱。
38.根据权利要求37所述的方法，该方法进一步包括 最优化作为所述样品薄膜中的元素的模拟轮廓分布的函数的模拟强度 能谱；利用最小化算法将所述经处理的能谱与所述模拟强度能谱相匹配；以及 基于所述最优化和匹配来确定所述薄膜中的所述元素的分布轮廓。
39. 根据权利要求38所述的方法，该方法进一步包括 确定所述样品薄膜中的所述元素的质心值； 确定所述样品薄膜中的所述元素的剂量水平； 校正所述样品薄膜中的所述元素的元素剂量水平；以及 控制形成在所述样品薄膜内或所述样品薄膜上的设备的电参数。
40. 根据权利要求37所述的方法，其中模拟所述样品薄膜的所述背景 能谱进一步包括确定所述样品薄膜的所述已知的参数是否与从所述能谱中计算出的所 述统计系数的所选择的参数中的一个相匹配；当所述已知的参数与所述所选择的参数中的一个相匹配时选择一个或 多个合适的与所述已知的参数相关联的统计系数，或者从所选择的参数进行 插值以计算所述已知的参数的一个或多个合适的统计系数；以及利用所述合适的统计系数来模拟所述背景能谱。
41. 一种方法，该方法包括利用一组第一部分强度系数来模拟薄膜的背景能谱，该第一部分强度系 数针对期望存在于该薄膜中的至少一种主体元素而获取，所述薄膜进一步包 含感兴趣的元素；以及其中所述第一部分强度系数是从至少一个具有所述至少一种主体元素 的参考薄膜中计算出的，并且其中所述至少一个参考薄膜的能谱被用于所述 第一部分强度系数的计算。
42. 根据权利要求41所的方法，该方法进一步包括 收集已知参数组的一组能谱；以及利用蒙特卡罗模拟法来计算所述一组能谱的第二部分强度系数； 其中所述参数组包括足够的取样点以允许从所述第二部分强度系数中 进行插值。
43. 根据权利要求42所述的方法，该方法进一步包括 利用所述第二部分强度系数对所述薄膜的所述第一部分强度系数进行插值；以及从经插值的第一部分强度系数中重建谱线以模拟所述背景能谱。
44. 根据权利要求43所述的方法，该方法进一步包括 从为所述薄膜获取的薄膜能谱中移除所述背景能谱以获取经处理的能谱。
45. 根据权利要求44所述的方法，其中所述参数组至少包括薄膜厚度。
46. 根据权利要求45所述的方法，该方法进一步包括 在所述经处理的能谱和所述至少一个模拟能谱上执行最小化和最优化操作以用于所述匹配。
47. 根据权利要求46所述的方法，该方法进一步包括 确定所述薄膜中的所述感兴趣的元素的分布轮廓、质心值以及剂量中的至少一者。
48. —种存储能谱数据的方法，该方法包括 收集具有至少一种元素的薄膜的至少一个能谱；计算所述至少一个能谱的一个或多个部分强度系数；以及存储所述一个或多个部分强度系数。
49. 根据权利要求48所述的方法，其中利用X射线光电子能谱系统来 收集所述至少一个能谱。
50. 根据权利要求48所述的方法，其中利用蒙特卡罗模拟法来完成所 述计算。
51. 根据权利要求48所述的方法，其中具有指令的可执行程序被提供 以利用计算出的部分强度系数来重建所述至少一个能谱。
52. —种方法，该方法包括以多个收集角度收集薄膜的电子能谱以产生收集的能谱；利用反巻积技术从收集的能谱中消除表面散射的影响以去除由界面交 叉引起的一个或多个系统误差；通过模拟导致弹性散射的一组模拟能谱来在所述收集的能谱上执行最 小化操作，并且以所述收集的能谱来最小化所述一组模拟能谱；以及确定所述薄膜中元素的分布轮廓。
53. 根据权利要求52所述的方法，其中所述一组模拟能谱是作为所述 薄膜中的所述元素的分布轮廓的函数而产生的。
54. 根据权利要求53所述的方法，该方法进一步包括下列各项中的至 少一项确定所述薄膜中的所述元素的质心值； 确定所述薄膜中的所述元素的剂量水平；校正所述薄膜中的所述元素的剂量水平；预测形成在所述薄膜内或形成在所述薄膜上的设备的电参数；以及 控制形成在所述薄膜内或形成在所述薄膜上的设备的电参数。
55. 根据权利要求1所述的方法，其中所述模拟能谱来自一组具有相关 联的元素分布轮廓的模拟能谱，且其中最优化作为元素分布轮廓的函数的所 述模拟能谱并且将所述经处理的能谱与所述模拟能谱相匹配进一步包括将 所述样品薄膜中的所述一种或多种元素的分布轮廓与参数化的曲线族相关 联，该曲线族用于产生所述模拟能谱。
56. —种方法，该方法包括获取与电子能量相关联的第一能谱，该电子能量被从样品薄膜的一种或 多种元素中激发；通过至少对所述第一能谱进行预处理以消除变角表面散射的影响，从而 获取经处理的能谱；以及将所述经处理的能谱与作为元素分布轮廓的函数的模拟能谱相匹配。
57. 根据权利要求56所述的方法，其中X射线光电子能谱或角分辨X 射线光电子能谱被用于获取所述第一能谱。
58. 根据权利要求56所述的方法，该方法进一步包括下列各项中的至 少一项基于所述匹配和最小化来确定所述样品薄膜中的所述一种或多种元素 的分布轮廓；确定所述样品薄膜中的所述一种或多种元素的质心值；确定所述样品薄膜中的所述一种或多种元素的剂量水平；校正所述样品薄膜中的所述一种或多种元素的元素剂量水平；预测形成在所述样品薄膜内或形成在所述样品薄膜上的设备的电参数-，以及控制形成在所述样品薄膜内或形成在所述样品薄膜上的设备的电参数。
59. 根据权利要求58所述的方法，该方法进一步包括 响应于所述质心值、所述分布轮廓、所述剂量水平或所述电参数来控制至少一个处理参数。
60. 根据权利要求59所述的方法，其中所述处理参数包括处理温度、 压力以及时间。
全文摘要
一种确定薄膜中元素的分布轮廓的方法。所述方法包括激发沉积于第一薄膜中的元素的电子能量以获取与所述电子能量相关联的第一能谱，并从所述第一能谱中去除背景能谱。移除所述背景值产生经处理的能谱。所述方法进一步包括通过能与第一薄膜比较的薄膜中的元素的已知模拟分布轮廓来将所述经处理的能谱与模拟能谱相匹配。基于将所述经处理的能谱与从模拟能谱组中选出的模拟能谱相匹配来获取所述第一薄膜中的元素的分布轮廓。
文档编号G01J3/45GK101523171SQ200680033273
公开日2009年9月2日 申请日期2006年6月23日 优先权日2005年7月11日
发明者B·许勒尔, D·S·巴兰斯, D·里德, M·光, P·德切科 申请人:瑞沃瑞公司