对图案化结构的基于X射线的测量的制作方法
本发明处于图案化结构(诸如，半导体晶片)的测量的领域，并且涉及利用x射线测量技术的测量系统和方法。
背景技术：
半导体结构的制造需要高度精确且准确的计量技术和仪器。因为随着半导体技术的前进，缩小器件尺寸已变为日益复杂的任务，所以该需求变得更加关键。允许测量能力的类似改进的补充计量工具对于该发展的持续进展是关键的。最关键的是允许测量结构的尺寸表征的计量方案。诸如临界尺寸扫描电子显微术(cd-sem)和光学临界尺寸(ocd)的技术在加工中、在制作过程的各个步骤中以及在研发过程中被大量利用。
因为器件尺寸缩小以及对处理细节的敏感度变得日益关键，所以获得样本的更多样化且独立的物理特性的能力变得至关重要。这些挑战需要引入基于额外物理原理的破坏性计量技术。这种技术中的一个是x射线散射测量(xrs)，其中，来自单色x射线的散射信号被分析以用于尺寸表征。针对该方法的实例是也被称为透射saxs(t-saxs)的临界尺寸小角度x射线散射测量(cd-saxs)、掠入射小角度x射线散射测量(gi-saxs)以及x射线衍射(xrd)或高分辨率x射线衍射(hr-xrd)以及倒易空间映射(rsm)技术。
例如，均转让给本申请的受让人的us2017/0018069、us2016/0139065以及us20160363872描述各种基于x射线技术的测量技术。us2017/0018069描述用于测量一结构的感兴趣的参数(多个参数)的混合计量技术。根据该技术，提供在相同结构上测量的不同类型的第一和第二测量数据，其中，这些测量数据中的一个可包括x射线测量数据，并且这些第一和第二测量数据被处理以将第一和第二参数确定为用于解释第一和/或第二测量数据的优选模型数据。us2016/0139065描述用于利用xrd或hr-xrd测量来测量样本的参数(多个参数)的测量技术。该技术提供通过关于样本结构的几何参数的信息(例如，图案特征)来优化xrd测量，并且反之亦然：使用xrd测量数据来优化/解释一不同的几何结构相关的测量，由此使得能够确定样本几何结构以及材料特性/组成。几何结构相关的数据可由不同测量技术提供，诸如光学测量，例如，光学临界尺寸(ocd)测量、cd-afm、cd-sem以及其它x射线技术。us2016/0363872描述用于规划计量测量、通过被测工具(tut)和参考测量系统(rms)利用测量的各种组合的方法和系统，其中，基于x射线的工具可用作参考/cd测量，诸如xrd、x射线光电子光谱学(xps)、x射线拉曼散射(xrs)。
us9,588,066描述用于使用多角度x射线反射散射测量(xrs)来测量周期性结构的方法和系统。该技术涉及在具有周期性结构的样本上照射入射x射线束以生成散射x射线束，其中，入射x射线束同时提供多个入射角和多个方位角。
技术实现要素：
在本领域中，需要一种利用x射线散射测量在图案化结构上测量的新颖测量技术，以有效消除测量信号中的粗糙度和背景噪声等影响，以由此显著提高测量技术的信噪比。
粗糙度和背景噪声相关的影响与以下相关联：已知x射线技术使用比标准光学技术显著更小的波长(从小于
然而，在该解释过程中，x射线散射测量可遭受相当大的额外困难。这是因为测量信号受到与被测量的标称结构不直接相关并且会混淆解释过程的一些因素的强烈影响。这些因素包括粗糙度和背景噪声的影响。
更具体地，粗糙度影响与结构从其预期几何结构的小的不均匀偏差相关联，这是任何制造过程中的固有成分。在这一点上，参考图1，图1示出具有典型不平滑形状的简单蚀刻光栅线(图案特征)，即，纳米级的粗糙度结构。对于光学散射测量方法，其中，波长通常为几百纳米，图案特征与标称结构的这些小的偏差通常最终被平均，对测量产生较小影响。然而，对于x射线方法，波长可以是与粗糙度类似的长度尺度，对测量产生极其放大的效果。因此，忽视粗糙度的影响可导致测量数据解释过程的实质性错误。
至于背景噪声，其与x射线测量技术的诸如弱收集信号的常见特征相关联，其增加对潜在噪声源的敏感度。典型弱信号的原因是通常提供比光学计量可用的光子通量小的数量级的照明源特性与样本的截面减小的组合。因此，背景噪声因素可导致测量中的不可忽略的误差，降低解释准确度。
与通常包括反射强度的急剧变化的主要衍射信号相反，粗糙度和背景噪声的这种贡献/影响的特征在于：增加到被测量的x射线信号上的平滑变化的强度分布。本发明提供基于具体测量模式和数据解释方法的用于x射线散射测量的新颖方法，使能够有效消除粗糙度和背景噪声的影响。
为了简单，在以下描述中，这些因素(粗糙度和背景噪声的影响)都被称为“背景贡献”。另外，在以下描述中，作为来自周期性结构的镜面反射以及衍射级的这种影响/特征被称为“普通反射”。
本发明提供使能够获得基本上无背景贡献的有效测量信号的简单且有效的技术。在一些实施方式中，这通过处理从具有一定角度分布(图像跨度)的图案化结构收集的测量数据实现。该处理包括：识别测量数据(来自图案化结构的反射/响应)中的对应于衍射级的一部分并且从测量信号中移除该部分。如以上表示，与相对平滑变化的强度相比，衍射级相关的信号可识别为包括强度的急剧变化。然后，剩余部分的测量信号/数据(即，仅背景信号)经历进一步处理以便确定表示跨整个图像跨度的背景的图像数据。此后，从原始测量信号中减去如此确定的背景信号，得出反射/衍射级的清晰图像。该数据可随后被使用/解释以用于确定图案化结构的各种参数/信息。
以上技术可通过选择最佳测量方案而进一步优化，即，对于被测量的结构的图案选择(针对给定照明波长)入射辐射的角跨度及其方位取向。所选择的测量方案使得获得反射级的所需角跨度(图像跨度)，即，使得不同反射级的辐射分量与检测器的辐射敏感表面(像素矩阵)上的基本上不重叠(即，通过间隙(多个间隙)彼此空间分离)的不同区域相互作用。
因此，本发明在其一方面中，提供一种用于图案化结构上的基于x射线的测量的方法，该方法包括：处理指示对应于图案化结构对入射x射线辐射的检测辐射响应的测量信号的数据，并且从所述数据中减去基本上无背景噪声的有效测量信号，所述有效测量信号由反射衍射级的辐射分量形成，使得有效测量信号的基于模型解释使能够确定图案化结构的一个或多个参数，其中，所述处理包括：分析测量信号并且从中提取对应于背景噪声的背景信号；以及向测量信号应用过滤处理以从中减去对应于背景信号的信号，产生有效测量信号。
测量信号的分析和背景信号的提取可包括：处理测量信号以滤出对应于反射衍射级的辐射分量的信号并且提取指示背景噪声的背景签名(signature)；以及向背景识别签名应用拟合处理以获得背景信号。
方法可进一步包括：对背景信号进行图像处理以获得表示背景信号的校正图像，随后将其用作对应于要从测量信号中减去的背景信号的信号。
优选地，包含于要被处理的测量信号中的有效测量信号对应于结构的辐射响应中的反射级的预定角跨度，使得不同反射级的辐射分量与检测器的辐射敏感表面上的不同空间分离区域相互作用。
方法可进一步包括：提供指示要在收集所述测量信号时使用的优化测量方案的数据的阶段，其中，优化测量方案提供测量信号包括如上所述的对应于角跨度的有效测量信号。更具体地，优化测量方案包括照明辐射的选定角跨度以及对于结构上的图案的特征的取向的方位取向，使得使用照明辐射的所述选定角跨度在结构对照明辐射的辐射响应中提供反射级的所需角跨度。
方法可包括：使用优化测量方案在图案化结构上执行一个或多个测量会话，以及生成指示测量信号的数据。
方法可进一步包括：对如上所述提取的有效测量信号进行基于模型的处理(拟合处理)；以及确定图案化结构的一个或多个参数。
本发明在其另一方面中，提供一种控制单元，包括：数据输入和输出实用程序、存储器实用程序以及处理器实用程序，该处理器实用程序被配置为并且可操作以执行上述方法，以处理测量信号并且确定有效测量信号，并且生成表示其的数据以进一步解释并确定图案化结构的一个或多个参数。
控制单元也可包括测量方案控制器，其被配置为并且可操作以分析指示被测量的结构上的图案的输入数据，并且对于图案生成指示照明辐射的选定角跨度和方位取向的优化测量方案数据以在结构的辐射响应中提供反射级的角跨度，使得不同反射级的辐射分量与检测器的辐射敏感表面上的不同空间分离区域相互作用，由此使能够从所检测的测量信号中减去基本上无背景噪声的有效测量信号。
在又一方面中，本发明提供用于图案化结构上的基于x射线的测量的测量系统。该系统包括：照明单元，被配置为并且可操作以定义用于将照明辐射引导在用于与被测量的结构相互作用的测量平面上的照明通道；角跨度控制器，位于照明通道中；检测单元，用于从该结构中检测沿着收集通道传播的辐射响应；以及控制单元，被配置为用于与照明单元和检测单元数据通信，该控制单元包括测量方案控制器，其被配置为并且可操作以分析指示被测量的结构上的图案的数据，并且对于图案生成指示照明辐射的选定角跨度和方位取向的测量方案数据，以在结构的辐射响应中提供反射级的角跨度，使得不同反射级的辐射分量与检测器的辐射敏感表面上的不同空间分离区域相互作用，由此使能够减去基本上无背景噪声的有效测量信号。
该角跨度控制器可包括可控变化尺寸和/或形状的孔径组件以使能够根据所选择的测量方案选择孔径尺寸和/或形状。
附图说明
为了更好地理解在本文中公开的主题，并且举例说明如何在实践中实施，现在将参考附图，仅仅通过非限制性实例的方式来描述实施方式，其中：
图1是图案化结构的表面的一部分的图片，该图片示出纳米级的典型表面粗糙度；
图2示意性示出根据本发明的基于x射线的测量方案的原理；
图3a至图3e示意性示出根据本发明的技术的数据处理和分析的实例；
图4示意性示出根据本发明的测量方案的辐射传播方案；
图5a是本发明的用于实现在图4中举例说明的测量方案的测量系统的框图；以及
图5b是本发明的数据分析方法的流程图。
具体实施方式
本发明涉及周期性图案化结构(诸如，半导体晶片)的测量，其中，该图案通常包括沿着一个或两个方向的晶胞的一些周期性。每个晶胞包括不同光学特性(例如，线和空间)的空间分离区域的图案。本发明技术旨在解决上述与粗糙度和背景噪声的影响相关的x射线测量的问题。图1例证具有纳米级的表面粗糙度的结构表面。
参考图2，示意性示出本发明的基于x射线(诸如，gi-saxs以及xrs和t-saxs)的测量方案10的原理。如图所示，包括在入射辐射的立体角14内一系列照明角度的x射线辐射照射样本12，并且这种x射线与样本12相互贡献，引起样本以反射/包括零级衍射和高衍射级的衍射级的形式的辐射响应16。辐射响应16由具有辐射敏感表面的2d传感器矩阵18检测，其中，通过传感器矩阵18的不同区域(传感器元件/像素或传感器元件/像素的组)检测不同衍射级。这些衍射级的分析允许测量结构12的表征。
因此，x射线散射测量通常涉及三个主要功能部分：照明、被测量的图案化结构以及检测辐射响应。照明模式/配置提供朝向样本/结构12引导单色x射线辐射14的射束。该射束14可被准直(如在t-saxs中使用的)，但是对于最常见情形，它具有如图2所示的角跨度。照明束14聚焦在一结构上(对于准直光束，不需要聚焦)，并且从该结构反射/返回。为了计量目的，被测量结构12具有图案化表面12a，其中，图案通常包括一组周期性特征，即，被研究的元件(即，晶体管阵列、存储单元等)。一旦从该结构反射，x射线就在镜面方向(零级反射/衍射)以及对应于高反射/衍射级的方向上从该结构散射。通过检测器的2d矩阵18检测/测量反射的辐射16，在照明14的每一入射角和方位角，创建反射的图像20。
不同saxs实现方式涉及不同的数据获取顺序(例如，t-saxs涉及旋转样本并且依次获取从其推断反射信号的所有2d依赖的一组图像)。为了简单，在以下描述中，测量顺序是指以gi-saxs代表，其中，在每个测量图像中探测多个入射角。然而，应理解，本发明不限于任意具体类型的x射线测量技术，并且因此在该方面本发明应被广义解释。
本发明基于以下事实：来自由角跨度照射的结构的反射衍射级可彼此分离，在图像中留下仅非标称信号到达的区域。本发明基于以下事实：来自由角跨度照射的结构的反射衍射级可彼此分离。这意味着相邻衍射级的角跨度小于其分离。这样，在相邻衍射级之间，存在名义上不期望辐射并且仅测量非标称信号的区域。这种‘非标称’信号源的实例将是杂散光、粗糙度相关的反射、来自缺陷/图案不规则的反射等。因此，在这些区域中获得的信号完全与‘背景’贡献相关，其在很多情况下极度期望被消除。这种分离可通过照明角跨度的适当选择控制，该照明角跨度根据被测量的结构及其方位取向选择。以下将进一步更具体地对此进行描述。一旦衍射级分离，就能够隔离来自直接反射的贡献，即，与来自周期性图案的衍射级相关联的反射以及背景贡献。
如上所述，与通常包括反射强度的急剧变化的主要衍射信号相反，背景反射分量(作为背景噪声)的特征在于加在被测量的x射线信号上的平滑变化的强度分布。这允许用于从普通反射所驻留的区域中的这些分量来推断该贡献的算法方法。一旦获得该贡献，它就可从普通反射区域中减去，允许直接分析和解释测量信号。
参考示意性举例说明本发明的分析方法的图3a至图3e。图3a举例说明作为照明角度θ和照明方位角的函数的检测/测量信号ms(原始信号/图像)。测量信号ms通过与来自图案区域pr的反射相关联的背景签名bs以及反射级ro形成。产生背景签名bs(背景噪声)的图案特征pr的这些区域要被隔离。如以下将描述的，测量设置为使得衍射级ro在检测器的辐射敏感表面(2d矩阵)上空间分离。如图3b所示，一旦衍射级ro被移除，仅背景信号bs可被识别。专用算法可用来扩展背景信号。在该实例中，使用洛伦兹(lorentzian)拟合(图3c)。背景信号bs随后经历内插\外推，产生如图3d所示的表示跨整个图像跨度的背景的图像。背景信号bs可随后从测量信号ms中减去，提供反射级ro的清晰图像。
优选地，该方法利用照明角度范围14的正确选择。该选择基于具有在检测器的2d感测矩阵上空间分离的不同衍射级的需求。在本实例中，图2示意性示出的测量设置被认为是参考，并且适于该情况的所需照明角度范围被分析。应理解，对于其他几何结构，类似分析是直接的。
以下是推导衍射级之间的角度分离的描述。这使能够设置允许的照明角度范围，使得在不同反射级之间不存在重叠。
在这一点上，参考图4，图4示意性示出对于样本上的图案取向的辐射传播方案。如该实例所示，图案p被配置为通过平行特征(线)l形成的光栅，该平行特征沿着x轴(定义光栅轴)延伸并且沿着y轴布置为空间分离关系。照明辐射14(角跨度)以角度θill(相对于样本的法线)以及方位角θill入射在样本12的图案化表面上。在该实例中，相对于光栅轴定义方位角，但是这不是必要限制。
考虑波长为λ且波数k0＝2π/λ的辐射，横向波数kill(即，样本平面上的波数)由如下给出：
kill＝k0(sin(θill)cos(φill)，sin(θill)sin(φill))
照明辐射14与光栅p的相互作用产生通过在对应于来自光栅的衍射级的一组离散方向上反射的辐射所形成的辐射响应16。通常，尽管未具体示出，但是光栅p可在两个方向上具有特征l的周期性，具有x方向上的节距px以及y方向上的py(如果周期性仅存在一个维度上，其中任一个可为零)。针对从x方向上的周期性引起的nx级以及从y方向上的周期性引起的ny级，衍射级将表示为(nx,ny)。
(nx,ny)衍射级将具有通过如下给出的横向波数：
该级的反射方向通过如下给出：
以及
通过这些关系，直接将任意照明角跨度与所有反射级的角跨度相关。具体地，能够检查在反射级之间是否预期重叠。
返回图1和图4，本发明提供：针对给出波长λ的照明，对于被测量的结构上的图案p的入射辐射14的角跨度θill及其方位取向θill可被控制/选择以提供反射级16所需角跨度φcol。反射级16的该所需角跨度φcol使得不同反射级的辐射分量与检测器的辐射敏感表面18上的通过间隙(多个间隙)g彼此空间分离的不同区域r相互作用。应理解，g的值(多个值)也可通过收集通道的长度控制。
若干方法能够实现角跨度的照明范围内的该限制/选择。一些实例包括使用的是置于光学路径中的具有可控尺寸的单个孔径，或者置于光学路径中的孔径的可互换组。这些可根据测量样本节距交换或修改。进一步灵活性可通过允许不同形状的孔径获得。应注意，当测量结构上的图案是两个方向上的周期性时，这种方法可保证两个方向上的高衍射级的分离。
更通常，能够仅在反射级的一个子组上实现这种分离。例如，与一个方向上的光栅节距相关的衍射级可被分离，同时使与另一个方向上的节距相关的级重叠。尽管利用该方法，背景信号中的一些可能不能被消除，提供降级的结果，但是实际上可能更容易实现并且在一些应用中可能是合适/足够的。
现在参考图5a和图5b，示意性示出本发明的测量系统100的框图(图5a)以及本发明的方法的流程图200(图5b)。系统100包括：照明单元102，定义用于将照明辐射14引导到测量平面(样本平面)上的照明通道；检测单元104，用于检测来自样本12的沿着收集通道传播的辐射响应；以及控制单元106，被配置为与照明单元和检测单元(经由使用任意已知合适的通信技术和协议的有线或无线信号传输)数据/信号通信。在系统100中还提供了位于照明通道中的角跨度控制器110。
控制单元106被配置为计算机系统，该计算机系统尤其包括诸如输入和输出实用程序106a和106b、存储器实用程序106c以及数据处理器106d的功能和结构实用程序。控制单元106进一步包括测量方案控制器(所谓的定向控制器)106e，其被配置为接收并分析指示结构/样本12上的图案p的数据(例如，沿着一个或两个轴的图案节距)及其相对于照明通道的方位取向，并且生成指示用于操作角跨度控制器110的照明角跨度的最佳选择的数据。应注意，被测量的结构可位于被驱动旋转的平台/支撑物108上，以便相对于照明通道调节图案取向，视情况而定。角跨度控制器可如上所述进行配置，即，可包括具有可控变化尺寸和/或形状的单个孔径或者不同尺寸/形状的可互换孔径组。这使能够根据所选择的测量方案选择孔径形状。
因此，取向控制器106e操作角跨度控制器110，并且可能地也操作平台108(经由其驱动器)以选择照明角跨度14，使得测量图像通过对应于高反射级的、在其间具有间隙的不同区域形成，即，使得在不同级之间不存在重叠部分。在上述图3a中举例说明这种图像。
一旦该情况得到保证，即，提供期望取向(在图5b中，步骤202)，执行以下测量方案以便消除背景信号的影响/贡献。测量信号ms通过检测单元104的像素矩阵检测，该像素矩阵生成表示测量信号的测量数据(步骤204)并且将该数据传输至其通过数据处理器106d处理的控制单元106(步骤206)。数据处理器106d包括分析器模块112，被配置为(预编程)滤出对应于反射衍射级的辐射分量的信号(呈现“有源信号”)，仅留下背景签名(呈现“噪声”)—步骤208。这在上述图3b中示出。然后，背景签名信号通过拟合模块114内插(且外推)(步骤210)以推断对整个测量图像或者其选定部分的背景贡献。为此，拟合模块114利用用于背景信号的一些潜在功能形状/形式(例如，图3c所示的方法，根据其，每个入射角通过洛伦兹线形拟合分开；或者任意其他函数形式，或者二维函数形式，并且使用基于一些理论模型的拟合方法)。这导致单独的背景信号(步骤212)。可选地，所获得的单独描述背景信号的图像可通过任意合适的图像处理器116处理以便使该图像平滑并校正该图像(可选步骤214)。初始图像(测量数据)随后通过过滤模块118处理，该过滤模块操作操作以从初始图像中减去背景信号/图像(通过图像处理器处理或者不处理)(步骤216)，产生最终的背景移除的信号(步骤218)。该最终信号呈现可用于使用任意已知合适技术分析和解释的有源/有效测量数据，例如，基于模型的数据解释。
因此，本发明提供用于对图案化结构的基于x射线的散射测量的简单且有效的技术。根据本发明，优选地，使测量方案能够减去无背景噪声的有效测量信号，其可随后被解释以使用任意已知合适的数据解释方法来确定结构参数。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！