用于确定样本中的应变分布的方法和系统的制作方法

用于确定样本中的应变分布的方法和系统的制作方法
【专利说明】用于确定样本中的应变分布的方法和系统
[0001]技术领域及【背景技术】
[0002] 本发明涉及用于测量样本的各种性能/参数的测量技术，并且涉及一种测量方法 和系统，该测量方法和系统对于确定诸如半导体结构的样本中的应变分布是特别有用的。
[0003] 已开发了用于测量材料的应变及其它性能的各种光学测量技术。
[0004] 例如，US8,437,450描述了一种分析方法，该方法包括:将X射线的会聚光束引导至 样本的表面，该样本表面具有多个单晶层，至少包括第一层以及形成在第一层之上且相对 于第一层倾斜的第二层。同时检测从第一层和第二层中的每一层衍射的X射线，同时根据角 度分解检测的X射线以便生成衍射光谱，该衍射光谱至少包括由第一层产生的第一衍射峰 值以及由第二层产生的第二衍射峰值。分析衍射光谱以便识别至少第二层的特征。该技术 能够确定平均应变以及相对材料浓度。
[0005] 半导体技术的不断进步造成器件尺寸的缩小以及更复杂的器件设计。现代半导体 器件的特征呈现出极其挑战性的任务，这就需要合适的计量工具，其对于开发的持续过程 是十分关键的。
[0006] 已开发了用于半导体器件特征的几种计量技术。计量技术的示例是CD-SEM，其利 用电子显微镜所具有的高分辨率，以及光学临界尺寸(0CD)计量。

【发明内容】

[0007] 对用于优化确定样本的各种参数(例如，确定样本中的应变分布)的新型方法的需 求正在恒定不断地增长，以便能够提高计量能力。
[0008] 本发明提供了一种新型测量技术，在一些实施方式中，该新型测量技术旨在通过 关于样本结构的几何参数(例如，形态特征）的信息来优化X射线衍射或高分辨率X射线衍射 (本文中，也被称为"XRD"）测量，并且反之亦然:使用XRD测量数据来优化/解译不同的几何 形状相关的测量，由此能够确定样本几何形状以及材料性能/成分。几何形状相关的数据可 由不同的测量技术提供，诸如在光学测量中，例如，光学临界尺寸(0CD)计量、CD-AFM、CD-SEM、以及其它X射线技术等。
[0009] 因此，根据本发明的一些方面，提供了一种方法和系统，该方法和系统用来基于施 加于从外部数据源可获得的材料上的几何约束，确定样本(例如，样本/材料中的应变分布） 的一个或多个参数，并且反之亦然。可获得大量可能的几何形状，并且对于每个几何形状， 可获得应变分布。
[0010]根据本发明的一些其它方面，提供了一种用于解决XRD测量的反问题的新型技术。 在本发明的一些实施方式中，本着施加物理及材料约束并且降低提取结果的不确定性的目 的，通过结合关于几何形状以及材料应变的信息来实现该新型技术以便计算光谱线形、优 化与测量数据匹配的最佳线形、并且提取最可能的几何形状及应变，和/或通过添加来自结 构设计的关于几何形状的外部信息来实现该新型技术，和/或，如上所述，通过添加来自（诸 如0CD、⑶-AFM、⑶-SEM、或另一 XR技术)另一测量的关于几何形状的外部信息来实现该新型 技术，和/或通过结合光谱和/或来自包括XRD系统的多个工具组来实现该新型技术。
[0011] 本发明还提供了通过施加约束（由相同的几何形状及材料模型而出现的测量），来 同时解决相同样本/结构的XRD测量及光学测量的反问题。
[0012] 此外，用于解决XRD测量的反问题所发明的方法是基于将全局优值函数（MF) (global merit function)最小化为用于结构的给定测量的两个或多个工具组的局部优值 函数（individual merit function)的组合。
[0013] 本发明的原理是基于发明人对基于XRD信号分析的复杂性的关键水平的理解。最 简单配置的常见XRD计量的目标使用是基于XRD峰值位置以及强度的识别，其允许导出平均 应力以及相对材料浓度。识别XRD峰值轮廓/形状(本文中，被称为"线形"）的更复杂的任务 利用一个或多个XRD峰值的单个轨迹，其相对于(仅仅提取)峰值位置及高度(如同先前的情 况），其可以提供更多的提取。通过提取峰值形状，可了解样本性能。然而，因为不同样本表 征为非常相似的XRD峰值轮廓，所以通常出现XRD线形测量技术不能够确定期望精确度的样 本性能的情况。然而，进一步的测量技术(所谓的临界尺寸小角度X射线散射(CD-SAXS)以及 倒易空间映射(RSM)技术)可用来提供具有非常高的灵敏性和分辨率的衍射峰值\多个峰值 的完全2D XRD扫描。尽管这些测量技术提供了关于样本结构的广泛信息，但是它们对于在 线计量来说是非常(可能过分地)慢的。
[0014] 本发明提出了一种新方法，该新方法用于确定来自XRD测量（由关于样本的几何数 据优化)和/或来自光学或其它基于几何形状的测量（由XRD测量数据优化)的样本的各种性 能。本发明的技术实现了从样本几何形状和材料获得材料或样本的应变分布，以及关于来 自样本材料的源和检测器(线形）的相对于样本角度的XRD强度分布，以及获得材料中的应 变分布。
[0015] 本发明提供了根据测量的XRD线形以及散射测量(光学CD或0CD)数据来确定样本 几何形状以及应变分布。如上所述，在一些实施方式中，因为基本算法是"反问题"解法(其 通过优化计算的光谱响应与测量的光谱响应之间的匹配来发现几何形状和/或包括应力的 材料性能），所以不需要0CD或其它外部源的几何形状相关的数据。0CD或其它外部源数据可 对测量样本贡献额外信息，或者贡献XR优化模型的额外约束，或者可同时与XR数据一起解 决(可能地，在"混合计量"实施方式中）WCD数据可被完全忽略;在该实施方式中，样本几何 形状和应变分布将仅从XRD模型中提取。
[0016] 因此，根据本发明的一个广泛方面，提供了一种用于测量样本的一个或多个参数 的控制系统，该控制系统包括：
[0017] (a)输入模块，用于接收包括第一数据和第二数据的输入数据，该第一数据包括样 本的X射线衍射或高分辨率X射线衍射响应数据，该X射线衍射或高分辨率X射线衍射响应数 据指示样本中的材料分布，第二数据包括样本对入射光的光学响应数据，该光学响应数据 至少指示样本的几何形状；
[0018] (b)处理器模块，被配置为且可操作为处理和分析第一数据和第二数据中的一个 以便优化第一数据和第二数据中的另一个，并且利用优化数据来确定样本的所述一个或多 个参数，所述一个或多个参数包括样本中的应变分布。
[0019] 在一些实施方式中，第二数据进一步指示样本的材料性能。
[0020] 在一些实施方式中，第二数据进一步包括:指示不同X射线测量的数据。
[0021] 指示样本对入射光的光学响应的第二数据可包括:指示样本中的形态特征的测量 数据。该测量数据可指示以下至少一个:光学临界尺寸(OCD)测量、CD-AFM测量、CD-SEM测 量。
[0022]在一些实施方式中，第一数据包括指示至少一个XRD光谱峰值的轮廓的数据，并且 第二数据包括指示样本的至少一个光谱响应的数据。
[0023]在一些实施方式中，处理器模块包括：
[0024]计算引擎模块，被配置为且可操作为接收指示样本的材料结构及几何形状的数 据，并且确定样本的XRD响应中的XRD峰值的光谱轮廓；