专利名称：形成于半导体晶片上的结构的方位扫描的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学计量，尤其是涉及形成于半导体晶片上的结构的方位扫描。
背景技术：
光学计量涉及将入射光束引导到一个结构，测量所得到的衍射光束，并且分析所述衍射光束以确定所述结构的特征。在半导体生产中，光学计量典型地用于质量保证。例如，在半导体晶片上靠近半导体芯片处制造一个光栅阵列之后，光学计量系统被用来确定所述光栅阵列的外形。通过确定所述光栅阵列的外形，以及通过扩展靠近所述光栅阵列的半导体芯片，就能评估用于形成所述光栅阵列的制造工艺的质量。
然而，当对一个结构进行光学计量时，如果所述结构和所述入射光束没有在方位上精确地对准，就可能出现测量误差。特别是，衍射光束的正交偏振分量可能使信号测量复杂化，并且导致被测信号和光学计量中所使用的分析模型之间的失配。
此外，在半导体行业中，日益增长地使用三维(3-D)结构，例如，具有两个方向上的维数的光栅阵列，诸如接触孔阵列。由于与二维(2-D)结构相比增加了一维，诸如线/空间，所以进行三维结构的光学计量是更加复杂的。例如，在二维结构的光学计量中，主要感兴趣的是在一个横向上的重要维(CD，critical dimension)。与此相对比，在三维结构的光学计量中，除了CD以外，所述结构的形状(来自鸟瞰图)、CD比和取向都是感兴趣的。
发明内容
在一个示例性的实施例中，通过以入射角和方位角将入射光束引导到所述三维结构，来检查形成于半导体晶片上的三维结构。在方位角的范围内扫描入射光束以获得方位扫描。在方位扫描过程中，测量衍射光束的正交偏振分量。
通过参照以下结合附图的对本发明的详细说明，将能更好地理解本发明，在附图中，用相同的数字来表示相同的部件。
图1描绘一个示例性的光学计量系统；图2描绘一个示例性的光栅阵列；图3描绘来自图2中所描绘的示例性光栅阵列的示例性信号测量仿真结果；图4描绘来自图2中所描绘的示例性光栅阵列的另一种示例性信号测量仿真结果；图5-A至5-D描绘示例性的光栅阵列；图6描绘另一个示例性的光栅阵列；图7描绘来自图6中所描绘的示例性光栅阵列的另一种示例性信号测量仿真结果；图8描绘来自图6中所描绘的示例性光栅阵列的示例性光谱扫描仿真结果；图9描绘另一个示例性的光栅阵列的一部分；图10描绘来自图9中所描绘的示例性光栅阵列的另一种示例性信号测量仿真结果；图11描绘在图9中所描绘的示例性光栅阵列的光谱扫描；图12描述差值信号的光谱扫描；以及图13描述平均信号的光谱扫描。
具体实施例方式
下面的说明将陈述多种特定的配置和参数等。然而，应当认识到，作者不打算用这样的说明来限制本发明的范围，取而代之的是，作为示例性实施例的说明而提供。
1.光学计量参照图1，光学计量系统100可以被用来检查和分析形成于半导体晶片上的三维结构。例如，光学计量系统100可以被用来确定形成于半导体晶片104上的光栅阵列102的特征。如上所述，光栅阵列102可以形成于晶片104上的测试区域，诸如与形成于晶片104上的器件相邻。可替代地，光栅阵列102可以形成于器件上不干扰所述器件工作或者沿晶片104上的划线的区域中。虽然在图1中，光栅阵列102被描绘为一个接触孔阵列，但是，应当认识到，光栅阵列102可以包括各种二维和三维结构。
如图1所示，光学计量系统100可以包括具有光源106和检测器112的光学计量装置。光栅阵列102被来自光源106的入射光束108照明。在本示例性的实施例中，入射光束108以相对于光栅阵列102的法线 的入射角θi和方位角(即，入射光束108的平面(入射平面122)和光栅阵列102的周期性方向(光栅平面120)之间的角度)被引导到光栅阵列102。衍射光束110以相对于法线 的角度θd离开，并且被检测器112接收。检测器112测量衍射光束110作为被测量的衍射信号，上述被测量的衍射信号可以包括反射率、零阶正交偏振效率/幅度、tan(Ψ)、cos(Δ)、傅里叶系数等等。
光学计量系统100还包括处理模块114，它被配置去接收测量的衍射信号并且分析测量的衍射信号。如下面所述，随后可以使用各种线性或非线性外形提取技术，诸如基于数据库的处理、基于回归的处理等，来确定光栅阵列102的特征。基于数据库的处理的更详细说明可参见2001年7月16日提交的题为“GENERATION OF A LIBRARYOF PERIODIC GRATING DIFFRACTION SIGNALS”的美国专利申请第09/907,488号，上述申请以全文的形式在此通过参考而并入。基于回归的处理的更详细说明可参见2001年8月6日提交的题为“METHOD AND SYSTEM OF DUNAMIC LEARNING THROUGHA REGRESSION-BASED LIBRARY GENERATION PROCESS”的美国专利申请第09/923,578号，上述申请以全文的形式在此通过参考而并入。关于机器学习系统的更详细说明可参见2003年6月27日提交的题为“OPTICAL METROLOGY OF STRUCTURES FORMEDON SEMICONDUCTOR WAFERS USING MACHINE LEARNINGSYSTEMS”的美国专利申请第10/608,300号，上述申请以全文的形式在此通过参考而并入。
2.方位扫描参照图1，如上所述，入射光束108以入射角θi和方位角被引导到光栅阵列102。参照图2，在一个示例性的实施例中，通过在方位角202的范围内扫描入射光束108来进行方位扫描。随着入射光束108在方位角202的范围内进行扫描，使用检测器112来获得衍射光束110、特别是衍射光束110的正交偏振项的测量结果(即，信号测量结果)。如同上面所指出的那样，该信号测量结果可以包括反射率、零阶正交偏振效率/幅度、tan(Ψ)、cos(Δ)、傅里叶系数等等。
例如，对于典型的椭圆计，检测器112(图1)测量椭圆计参数(Ψ，Δ)。因此，有效的椭圆计参数 可以表示为ρ~=tanψelΔ=EpEs=RppSinP+RspCosPRpsSinP+RssCosP]]>式中，Ep为平行于入射平面的电场，Es为垂直于入射平面的电场，P为偏振角，Rpp，Rsp，Rps和Rss为偏振项。随着方位扫描的进行，所有四个偏振项Rpp，Rsp，Rps和Rss改变。正交偏振项Rsp，Rps在数量上典型地小于同相偏振项Rss，Rpp。要注意的是，当P处于20-50°的范围内时，由于正交偏振项的贡献不容易与同相偏振项的贡献区分开，难以测量正交偏振项。然而，当P为0°或90°时，同相偏振项Rss或Rpp其中之一变为零，仅留下正交偏振项作为衍射光束的S或P分量。因此，在本示例性的实施例中，使用0°或90°偏振角来进行方位扫描。
3.确定零方位位置光学计量典型地包括比较实测衍射信号和仿真衍射信号，其中，仿真衍射信号与所述结构的假设外形相关联。如果实测衍射信号与仿真衍射信号相匹配，或者当实测衍射信号和仿真衍射信号的差值处于预设或匹配标准内时，与匹配的仿真衍射信号相关联的假设外形被认为代表所述结构的实际外形。
典型地使用建模技术，诸如严格耦合波分析(RCWA，rigorouscoupled wave analysis)、积分方法(integral method)、Fresnel方法、有限元分析、模态分析等，来产生光学计量中所使用的仿真衍射信号。关于RCWA的详细描述，可参见2001年1月25日提交的题为“CACHING OF INTRA-LAYER CALCULATIONS FOR RAPIDRIGOROUS COUPLED-WAVE ANALYSES”的美国专利申请第09/770,997号，上述申请以全文的形式在此通过参考而并入。还可以使用机器学习系统来产生仿真的衍射信号。关于机器学习系统的更详细说明，可参见2003年6月27日提交的题为“OPTICALMETROLOGY OF STRUCTURES FORMED ONSEMICONDUCTOR WAFERS USING MACHINE LEARNINGSYSTEMS”的美国专利申请第10/608,300号，上述申请以全文的形式在此通过参考而并入。
在产生仿真衍射信号的过程中，假定一个方位角。在产生仿真衍射信号的过程中所假定的方位角(即，假定方位角)和获得实测衍射信号的过程中所使用的方位角(即，实际方位角)之间的差值可能产生错误的结果。例如，由于假定和实际方位角之间的差值，与匹配的仿真衍射信号相关联的假想外形将不能代表实际外形。
因此，在一个示例性应用中，在方位扫描中获得的信号测量结果被用来确定一个零方位位置，在此处正交偏振项为零，以便检测在获得实测衍射信号过程中所使用的方位角和产生仿真衍射信号的过程中所使用的方位角之间的方位失准。正如将在下面详细地描述的那样，在某些方位角，信号测量结果(特别是信号测量结果的正交偏振项)为零。
例如，当使用椭圆计并且偏振角P为0°或90°时，所述椭圆计信号可以表示为ρ~=tanψelΔ=EpEs=RspRss]]>或ρ~=tanψeiΔ=EpEs=RpsRpp]]>如果仅考虑幅度项，则角Ψ可以表示为ψ=atan|Rsp||Rss|]]>或ψ=atan|Rps||Rpp|]]>当为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°时，信号测量结果(特别是信号测量结果的正交偏振项)为零。
参照图3，图中描绘了接触孔阵列的方位扫描的仿真结果。图3中所描绘的仿真假定在硅结构上具有光致抗蚀剂的接触孔阵列，其间距x，y为400nm，所述光致抗蚀剂的厚度为200nm，孔直径为200nm，入射角为65°，光的波长(λ)为500nm。
图3描绘了在这个实例中，当从0°到180°时，角Ψ的两种测量结果。如图3所示，所述信号测量结果对应于偏振角P为0°和90°的情形(要注意的是，当P为90°时，所描绘的是-Ψ，以便允许对两种测量结果进行比较)。也如图3所示，在0°、45°、90°和135°，信号测量结果为零。此外，信号测量结果对称于这些零点。也如图3所示，对应于P＝90°的信号测量结果强于对应于P＝0°的信号测量结果，因此，将提供更好的信噪比(SNR，signal-to-noise ratio)。
因此，在本示例性应用中，使用对应于信号测量结果(特别是信号测量结果的正交偏振项)为零时的方位角，诸如为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°时的方位角，来产生光栅阵列的光学计量中所使用的仿真衍射信号。在从光栅阵列获得实测衍射信号以便和仿真衍射信号进行比较之前，执行所述光栅阵列的方位扫描。然后，从方位扫描中获得的信号测量结果可以被用来检测将用于获得实测衍射信号的方位角的失准。除了检测方位角的失准以外，可以根据信号测量结果来确定失准量。由此就能校正所述失准。例如，如果在假定方位角和实际方位角之间存在偏差(例如，如果曲线横向移动或者零点被移动，诸如从90°到91.2°)，则可以检测并校准光学计量硬件的方位校准误差(例如1.2°)。
虽然图3描绘了在180°的范围内进行方位扫描，但是应当认识到，可以在假定方位角(即，被用来产生仿真衍射信号的方位角)左右的任何范围内进行所述方位扫描。例如，图4描绘了假定方位角0°左右的-5°至+5°范围内进行方位扫描。如图4所示，实际和假定方位角之间的角偏移约为0.75°。
再次参照图2，当在图2中是孔的光栅阵列102的结构的形状关于入射平面122为镜像对称时，正交偏振项为零。此外，对于镜像对称结构的所有均等间距，在＝45°、135°、225°和315°处，正交偏振项为零。
例如，参照图5-A，图中描绘了孔502的光栅阵列。在＝0°处，光栅阵列的单元504具有100nm的间距。由于孔502关于＝0°的入射平面为镜像对称，所以正交偏振项为零。如图5-A所示，在＝45°处，单元506具有141.42nm的间距。因为孔502关于＝45°的入射平面为镜像对称，正交偏振仍为零。然而，由于单元506的大小和单元506内的结构不同于单元504，所以在＝45°处的同相偏振项不同于在＝0°处的同相偏振项。
更一般地说，当光栅阵列的结构的形状为镜像对称时，在＝tan-1(n/m)处，正交偏振项为零，这里，n，m＝0，±1，±2，±3等。可以根据单元504的间距来确定单元506的间距。更具体地说，单元506的间距为单元504的间距×sqrt(n-2+m-2)。例如，如图5-B所示，当n＝1和m＝2时，＝tan-1(0.5)＝26.565°。同样，单元504的间距为100nm，因此，单元506的间距为10×sqrt(5)＝223.6nm。
应当认识到，各种形状都可以产生如上所述的镜像对称。例如，图5-C描绘了一种方形结构，这种结构在＝0°和＝45°处是镜像对称的。因此，对于图5-C中所描绘的光栅阵列来说，在＝0°和＝45°这两处的正交偏振项为零。图5-D描绘了一种形状，它在＝0°和＝45°这两处不是镜像对称的。
4.确定CD比如上所述，在半导体制造过程中，光学计量典型地用于质量保证。例如，在半导体制造过程中，典型地使用平板印刷工艺将图案从掩膜转移到半导体晶片上，以便在晶片上形成多种结构。然而，平板印刷工艺中的像差可能在被转移到晶片上的图案中产生不准确并因此产生在晶片上形成的结构的不准确。例如，由于透镜像差，诸如像散，将使掩膜上的圆形接触孔在晶片上产生椭圆孔。
因此，在一种示例性应用中，在方位扫描中所获得的信号测量结果被用来检测椭圆形接触孔。更具体地说，参照图6，信号测量结果可被用来确定CD比。例如，第一轴(对应于图6中的x轴)中的第一CD 602和第二轴(对应于图6中的y轴)中的第二CD 604的CD比。要注意的是，圆的CD比为1，而椭圆的CD比不等于1。
参照图7，图中描绘了椭圆接触孔阵列的方位扫描的仿真结果。图7所描绘的仿真假定在硅结构上具有光致抗蚀剂的接触孔阵列，其间距x，y为400nm，光致抗蚀剂的厚度为200nm，孔的预期直径为200nm，入射角为65°，光的波长为500nm，偏振角P为90°。
图7描绘了在这个实例中，在从0°到180°的范围内，角Ψ的两种测量结果。如图7所示，信号测量结果对应于0.66和0.81的CD比。也如图7所示，在＝0°、90°和180°处，信号测量结果(特别是信号测量结果的正交偏振项)为零，但在45°和135°处，将不再为零。
因此，在本示例性的实施例中，可以使用在＝45°、135°、225°或315°处的信号测量结果来检测第一CD 602和第二CD 604之间的不对称(图6)，并由此检测不对称接触孔，诸如具有椭圆、超椭圆形、矩形等形状的接触孔。更具体地说，当在＝45°、135°、225°或315°处的信号测量结果为零时，第一CD 602和第二CD 604是对称的，其CD比为1，并且孔是圆形或对称的。然而，当在＝45°、135°、225°或315°处的信号不为零时，第一CD 602和第二CD 604是不对称的，其CD比不等于1，并且所述孔具有不对称的形状。此外，通过在＝45°、135°、225°或315°处信号偏离零的量，来确定第一CD 602和第二CD 604之间的不对称量，并因此确定孔的形状的不对称性的量，在这里，不对称性的量将随着信号偏离零的量的增加而增加。
除了方位扫描以外，可以使用在特定方位角的光谱扫描用于特征化。例如，参照图8，图中示出了＝27°时的光谱扫描。在这个实例中，由于在图7的＝27°处出现强信号，所以选择＝27°。
如上所述，由于透镜像差可以形成椭圆接触孔。因此，在一种示例性应用中，可以通过使用掩膜上的圆形接触孔、使用掩膜将接触孔转移到晶片上，然后，确定在晶片上形成的孔是圆形还是椭圆形，来测试/检定用于平板印刷术的透镜。
5.图案形状的旋转参照图9，平板印刷工艺中的像差可以产生形成于半导体晶片上的结构的旋转。更具体地说，如图9所示，当形成圆形接触孔时，除了接触孔被形成为椭圆孔以外，孔的实际轴902与预期轴904相比，可能旋转了一个旋转角α。
因此，在一个示例性应用中，在方位扫描过程中获得的信号测量结果可以被用来检测所述结构的旋转。更具体地，如图9所示，当所述结构被旋转时(例如，在图9中，当实际轴902偏离于预期轴904而旋转时)，在＝0°、90°、180°或270°处的信号测量结果(特别是信号测量结果的正交偏振项)不再为零。虽然信号测量结果不再为零时，在＝0°、90°、180°或270°处，仍然存在最小值(在角度上稍有偏移)。此外，信号测量结果的不对称性将随着增加旋转角而增加。因此，可以根据信号测量结果的不对称性，来确定所述旋转的存在、数量和方向。
在一个示例性实施例中，在关于＝0°、90°、180°或270°对称的两个方位角获得光谱。差值信号(SΔ)被确定为所述两个方位角处的两个光谱之间的差值(即，SΔ＝S1-S2)。不旋转(即，α＝0)时所述差值信号为零，但所述差值信号将随着旋转量的增加而增加，最大值出现在α＝45°处。差值信号(SΔ)的符号表示旋转的方向。
此外，在本示例性实施例中，在为了确定旋转而获得的两个方位角处的光谱也可以被用来确定CD比。平均信号(Savg)被确定为两个方位角处的所述两个光谱之间的平均值(即，Savg＝(S1+S2)/2)。旋转的椭圆孔的平均信号近似相同于不旋转的椭圆孔的平均信号。因此，不需要单独的方位扫描来确定CD比。
参照图10，图中描绘了旋转的椭圆接触孔阵列的方位扫描的仿真结果。图10中所描绘的仿真假定在硅结构上具有光致抗蚀剂的接触孔阵列，其间距x，y为400nm，所述光致抗蚀剂的厚度为200nm，预期的孔直径为200nm，入射角为65°，光的波长为500nm，以及偏振角P为90°。
图10描绘了在这个实例中，在从-15°至+15°的范围内，角Ψ的三种信号测量结果。在图10中，信号测量结果1002、1004和1006分别对应于α＝0°、10°和45°。要注意的是，在0°处，信号测量结果1002为零，但是在0°处，信号测量结果1004和1006不为零。
参照图11，图中描绘了当旋转角为0°和10°时，在＝-8°和+8°处的光谱扫描。参照图12，图中描绘了当旋转角为-10°、+10°和+45°时，在＝-8°和+8°处的差值信号的光谱扫描。要注意的是，旋转角为+10°的光谱容易区分于旋转角为+45°的光谱。此外，要注意的是，旋转角为+10°的光谱容易区分于旋转角为-10°的光谱。因此，所述差值信号可以被用来确定旋转量和旋转方向。
参照图13，图中描绘了当旋转角为0°和+10°时，在＝-8°和+8°处的平均信号的光谱扫描。要注意的是，旋转角为0°的光谱与旋转角为+10°的光谱近似相同，这证实了用于旋转的椭圆孔的平均信号与用于不旋转的椭圆孔的平均信号相同。因此，所述平均信号可以被用来确定CD比。
为了图解和说明的目的，以上已经提供了本发明的特定实施例的说明。作者不打算把它们当作详尽无遗的，或者将本发明局限于所公开的严格的形式，并且，应当理解，根据以上的讲授内容，许多修改和变动都是可能的。
权利要求
1.一种用于检查形成于半导体晶片上的结构的方法，所述方法包括以入射角和方位角将入射光束引导到所述结构；在方位角的范围内扫描入射光束以获得方位扫描；以及在方位扫描过程中，测量衍射光束的正交偏振分量。
2.如权利要求1所述方法，其中，入射光束以0°或90°的偏振角偏振。
3.如权利要求1所述方法，还包括根据方位扫描来确定零方位位置，其中，在所述零方位位置，所述正交偏振分量为零。
4.如权利要求3所述方法，其中，方位角的范围在所述零方位位置左右。
5.如权利要求3所述方法，还包括使用方位角来获得将用于所述结构的光学计量的实测衍射信号，其中，在获得所述实测衍射信号之前，执行方位扫描；以及基于确定的零方位位置，来检测实测衍射信号和仿真衍射信号的方位失准。
6.如权利要求5所述方法，其中，使用假定的零方位位置来产生仿真衍射信号，并且其中，当确定的零方位位置不同于假定的零方位位置时，检测到实测衍射信号的方位失准。
7.如权利要求1所述方法，其中，所述结构是接触孔阵列，以及所述方法还包括基于方位扫描来确定所述接触孔阵列中的接触孔是否不对称。
8.如权利要求7所述方法，其中，当在方位角45°、135°、225°和315°的一个或多个上，所述正交偏振分量不为零时，所述接触孔被确定为不对称。
9.如权利要求7所述方法，还包括基于确定接触孔阵列中的所述接触孔是否不对称，来测试平板印刷术中所使用的透镜。
10.如权利要求1所述方法，还包括基于方位扫描来确定所述结构的旋转。
11.如权利要求10所述方法，其中，当所述正交偏振项达到非零的最小值，并且所述正交偏振项关于所述最小值不对称时，确定所述结构的旋转。
12.如权利要求11所述方法，还包括在关于所述最小值对称的两个方位角获得光谱；以及根据在两个方位角获得的光谱来确定差值信号，其中，当所述差值信号不为零时，确定所述结构旋转，并且其中，根据所述差值信号的符号来确定旋转的方向。
13.一种用于检查形成于半导体晶片上的三维结构的系统，所述系统包括以入射角和方位角将入射光束引导到所述结构的光源；其中，在方位角的范围内扫描入射光束，以获得方位扫描；以及用于在方位扫描过程中测量衍射光束的正交偏振分量的检测器。
14.如权利要求13所述系统，其中，入射光束以0°或90°的偏振角偏振。
15.如权利要求13所述系统，其中，根据方位扫描来确定零方位位置，并且其中，在所述零方位位置，所述正交偏振分量为零。
16.如权利要求15所述系统，其中，方位角的范围在所述零方位位置左右。
17.如权利要求15所述系统，其中，使用方位角来获得将用于所述结构的光学计量的实测衍射信号，其中，在获得所述实测衍射信号之前，执行方位扫描；并且其中，基于确定的零方位位置，来检测实测衍射信号和仿真衍射信号的方位失准。
18.如权利要求17所述系统，其中，使用假定的零方位位置来产生仿真衍射信号，并且其中，当确定的零方位位置不同于假定的零方位位置时，检测到实测衍射信号的方位失准。
19.如权利要求13所述系统，其中，所述三维结构是接触孔阵列，并且其中，基于方位扫描来确定接触孔阵列中的接触孔是不对称的。
20.如权利要求19所述系统，其中，当在方位角45°、135°、225°和315°中的一个或多个上，所述正交偏振分量不为零时，所述接触孔被确定为不对称。
21.如权利要求19所述系统，其中，基于确定所述接触孔阵列中的所述接触孔是否不对称，来测试平板印刷术中所使用的透镜。
22.如权利要求13所述系统，其中，基于方位扫描来确定所述结构的旋转。
23.如权利要求22所述系统，其中，当所述正交偏振项达到非零的最小值、并且所述正交偏振项关于所述最小值不对称时，确定所述结构旋转。
24.如权利要求23所述系统，其中，在关于所述最小值对称的两个方位角上获得光谱；并且其中，根据在两个方位角上获得的光谱，来确定差值信号，其中，当所述差值信号不为零时，确定所述结构旋转，并且根据所述差值信号的符号来确定旋转的方向。
25.一种用于检查形成于半导体晶片上的结构的方法，所述方法包括在方位角的范围内扫描入射光束以获得方位扫描；在方位扫描过程中，测量衍射光束的正交偏振分量；以及基于方位扫描，确定包括下列的一种或多种状态a)零方位位置，其中，在所述零方位位置上，所述正交偏振分量为零；b)接触孔阵列的接触孔的对称性；以及c)所述结构的旋转。
全文摘要
通过以入射角和方位角将入射光束引导到所述结构，来检查形成于半导体晶片上的结构。在方位角的范围内扫描入射光束以获得方位扫描。在方位扫描过程中，测量衍射光束的正交偏振分量。
文档编号G01N21/956GK1875244SQ200480031908
公开日2006年12月6日 申请日期2004年10月28日 优先权日2003年10月28日
发明者约尔格·比朔夫, 李世芳, 牛新辉 申请人:音质技术公司