亚波长尺度微电子结构光学关键尺寸测试分析方法及装置与流程

本发明属于光学工程领域，涉及一种亚波长周期微电子结构光学关键尺寸测试分析方法。

背景技术：

在半导体及其他微电子产业中，芯片结构在设计和制造时，对其微电子结构关键尺寸(CD)的快速有效检测是控制芯片良品率及量产效率的重要手段。芯片集成度高，通过制版、光刻、刻蚀等一系列工艺后，芯片上的结构(Pattern)将形成周期性排列。周期性排列微结构的尺寸检测方法较多，如传统光学显微镜技术、显微术(EM)、探针显微术(SPM)等。但是这些检测方法或者需要复杂的显微镜设备，或者需要高真空环境测试，或者只能实现表面轮廓形貌测试，或者对微结构会造成破坏，因此都难以实现量产过程中的在线快速检测。利用光学衍射原理则可以对微电子结构CD实现在线检测，它对测试环境要求简单，也可分析结构非表面层的尺寸参数，因此成为CD测试/分析中重要的技术手段。该技术起源于光栅设计与制备过程中的衍射度量术，通过对周期性结构远场衍射特性分析从而获取结构特征参数。

在半导体微电子领域中，由于侧重于对芯片关键尺寸的测量，该技术更多的被称为光学关键尺寸检测(OCD)。该技术在国际上已有三十多年发展史，早期的OCD检测采用标量衍射模型模拟微结构中电磁场以实现CD测试/分析。但是随着半导体产业中工艺制程的不断升级,标量衍射模型已难以适应OCD检测中的精度要求，更精确的微电子结构关键尺寸检测技术成为亟待结局的问题。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供了一种亚波长尺度微电子结构光学关键尺寸分析方法，该方法基于远场超透镜(简称FSL)提升光学关键尺寸(简写为OCD)的测试/分析系统的测量精度，并且可以测量更小的光学关键尺寸，该方法包含以下步骤：

a)将远场超透镜平行置于待测样品表面，用光源照射远场超透镜和待测样品构成的组合结构的远场超透镜表面，测得样品实测零级衍射谱；

b)基于矢量分析算法，设定初始的关键尺寸参数，模拟计算得到所述组合结构的模拟零级衍射谱；

c)将步骤b)得到的所述模拟零级衍射谱与步骤a)得到的所述实测光谱对比：如对比结果不一致，则修改步骤b)中所述关键尺寸参数后，重新模拟计算得到所述组合结构的模拟零级衍射谱，并与步骤a)中测得得到的所述实测光谱对比；如对比结果一致，则结合当前的模拟零级衍射谱和所述远场超透镜的参数，计算得到待测样品的关键尺寸参数。

优选地，所述远场超透镜由一维金属银-玻璃光栅和金属银薄板组成。

进一步优选地，所述待测样品靠近所述远场超透镜中的金属银薄板一侧。其有益的技术效果是先通过金属银薄板实现对样品衍射产生的隐失波的增强，然后通过金属光栅结构的衍射将隐失波转换成传输波以便在远场接收，以得到高精度的亚波长尺度微电子结构光学关键尺寸分析结果。所述远场超透镜中金属银-玻璃光栅和金属银薄板的结构参数(包括金属光栅周期、光栅厚度、金属薄板厚度等)可根据样品材料及其关键尺寸范围进行设计，以得到高精度的亚波长尺度微电子结构光学关键尺寸分析结果。

进一步优选地，所述金属银-玻璃光栅的光栅周期Λ₂与所述待测样品的光栅周期Λ₁之差为错位参数δ，δ的周期为ε，其中：ε为│l_iΛ₁-p_iΛ₂│除0外的最小值，l_i为1至l的正整数，p_i为1至p的正整数，l和p为正整数且最大公约数为1且满足lΛ₁＝pΛ₂。

在待测样品表面加入上述结构的FSL，不需要改变现有的模拟算法，也不需要对现有的测量装置作太大的改变，即可得到精度很高的亚波长尺度微电子结构光学关键尺寸分析结果。

优选地，所述步骤a)中的光源为平行的TM偏振光。以平行光入射作为光学入射模型，能够减少光学检测系统装置中汇聚光的影响。进一步优选地，所述步骤a)中的光源为平行的、光斑小于100微米的TM偏振光光学检测系统装置实现衍射光关注参数曲线的检测。

优选地，所述步骤b)中的矢量分析算法为严格耦合波分析方法(简写为RCWA)或层吸收法(简写为SAM)。进一步优选地，所述步骤b)中的矢量分析算法为严格耦合波分析方法。

优选地，所述步骤c)中的对比算法为列文伯格-马夸尔特法(简写为Levenberg-Marquardt)。

本领域技术人员可以根据RCWA或其他矢量分析算法的需要选择所述光源照射上述组合结构表面的入射角度。

优选地，所述远场超透镜与所述测样品表面之间为空气层。空气层的厚度h在一定范围内对各衍射级反射率和衍射谱有显著的影响，尤其是h在0.5微米附近，有突变式的影响：当空气层厚度h大于0.5微米后，反射率随h呈现周期性变化；而在h小于0.5微米的范围内，各衍射级反射率的变化是非周期的，衍射谱与h有一一对应的关系。因此当空气层厚度h小于0.5微米时，本申请的技术方案，能够精度极高且非常快速的得到亚波长尺度微电子结构光学关键尺寸分析结果。

进一步优选地，所述空气层的厚度小于0.5微米。

更进一步优选地，所述空气层的厚度为0.02微米至0.5微米。

根据本申请的另一个方面，提供了一种亚波长尺度微电子结构光学关键尺寸测试分析装置，其特征在于，所述装置包括：宽谱光源、光束控制器、远场超透镜、探测镜头、光谱仪和软件分析平台，所述远场超透镜平行置于待测样品表面；

所述宽谱光源发射出的光束通过所述光束控制器之后，依次入射到所述远场超透镜和所述待测样品的表面并产生出射光，出射光通过探测镜头由光谱仪检测得到出射光谱信号，出射光谱信号输入所述软件分析平台后输出待测样品的关键尺寸参数。

优选地，所述远场超透镜由一维金属银-玻璃光栅和金属银薄板组成。

优选地，所述远场超透镜中的金属银薄板一侧靠近所述待测样品且与所述测样品表面之间为空气层。

进一步优选地，所述空气层的厚度小于0.5微米。

更进一步优选地，所述空气层的厚度为0.02微米至0.5微米。

作为一个具体的实施方式，用一个可精确控制高度坐标的载物台来将所述远场超透镜与所述待测样品之间的空气层厚度控制在0.5微米以内。

优选地，所述金属银-玻璃光栅的光栅周期Λ₂与所述待测样品的光栅周期Λ₁之差为错位参数δ，δ的周期为ε，其中：ε为│l_iΛ₁-p_iΛ₂│除0外的最小值，l_i为1至l的正整数，p_i为1至p的正整数，l和p为正整数且最大公约数为1且满足lΛ₁＝pΛ₂。

为描述清楚，对上述错位参数δ作如下定义：以下层光栅某个栅脊的中轴线为原点，上层光栅的某个栅脊中轴线的x轴坐标即为错位参数δ，δ具有周期性。若两光栅周期满足lΛ₁＝pΛ₂，其中l，p均为正整数，且最大公约数为1。用ε表示│l_iΛ₁-p_iΛ₂│除0外的最小值(l_i为1至l的正整数，p_i为1至p的正整数)，则δ的周期为ε。

优选地，所述宽频光源所发出的光束为汇聚光束；进一步优选地，所述宽频光源为通过光纤接头耦合进光纤引入的光源。

优选地，所述光束控制器包括针孔或光纤接头、第一准直镜片组、偏振器、可调光阑和第一汇聚镜片组，所述光束控制器用于实现具有特定偏振态、偏振方向、汇聚角以及最小检测光斑的检测光束；所述第一准直镜片组可对波谱范围为190nm-1100nm的宽光谱光束进行消色差准直；所述第一汇聚镜片组可对波谱范围为190nm-1100nm的宽光谱光束进行消色差汇聚；所述偏振器用于获得线偏振光，并调节光束的偏振方向；可调光阑用于调节光束直径，光束直径决定了检测光束的汇聚角，并影响最小汇聚光斑的大小。

优选地，所述探测镜头包括第二准直镜片组和第二汇聚镜片组；所述第二准直镜片组可对波谱范围为190nm-1100nm的宽光谱光束进行消色差准直，所述第二汇聚镜片组可对波谱范围为190nm-1100nm的宽光谱光束进行消色差汇聚并耦合进所述光谱仪。

优选地，所述光谱仪检测的波谱范围为190nm-1100nm。

本申请能产生的有益效果包括：本申请提供的方法和装置基于远场超透镜提升了光学关键尺寸的测试/分析精度，并且可以测量更小的光学关键尺寸。本申请提供的方法和装置能够获得高阶衍射光谱，能够进一步得到更精细以及更准确的光学关键尺寸分析结果。

附图说明

图1是本申请光学关键尺寸测试分析方法原理示意图。

图2是本申请光学关键尺寸测试分析方法逻辑流程图。

图3是本申请光学关键尺寸测试分析装置示意图。

图4是本申请光学关键尺寸测试分析方法及装置中FSL与样品关系示意图。

图5是本申请光学关键尺寸测试分析方法及装置中FSL结构剖面示意图。

图6是本申请一种实施方式的得到的衍射光谱图。

图7是本申请对比例的得到的衍射光谱图。

附图3中的标记名称为：1.宽谱光源；2.光束控制器；3.探测镜头；4.光谱仪；5.软件分析平台。

具体实施方式

为使本申请实施例的技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

图1为本申请光学检测检测方法的光学原理图。其中宽谱光源由自由空间入射到样品上，其空间几何特性由三个角度限定：入射角θ(0°≤θ<90°)、方位角φ(0°≤φ<360°)、偏振角ψ(0°≤ψ<360°)。如图2所示，本实施例的装置和方法中入射角为θ的宽谱光源入射到组合结构上后形成零级衍射光谱，然后由微型光谱仪检测到零级衍射光谱曲线，最后在图1中软件分析平台5上通过计算零级衍射光谱与宽谱光源光谱强度的比值得到检测零级衍射率曲线。检测分析软件建立样品的数学物理模型，先设定数学物理模型的初始结构参数(结构周期、光栅结构层厚、占空比、错位参数、空气层厚度等)为出发点，通过RCWA或者SAM分析算法(图6和图7为以RCWA为例得到的结果)模拟计算样品初始数学物理模型的零级衍射率曲线，再通过Levenberg-Marquardt优化算法对比模拟的零级衍射率曲线与检测的零级衍射率曲线间差异大小，判断是否修改数学物理模型结构参数进行再次模拟优化分析。如模拟的零级衍射率曲线与检测的零级衍射率曲线能够拟合，则不需修改，以当前数学物理模型关键尺寸结构参数作为样品关键尺寸结构参数；如模拟的零级衍射率曲线与检测的零级衍射率曲线不能拟合，则需修改数学物理模型先设定的结构参数，重复上述拟合分析过程，直至最终实现模拟的零级衍射率曲线(模拟零级衍射光谱)与检测的零级衍射率曲线(实测零级衍射光谱)能够拟合。结合拟合成功的数学物理模型结构参数与采用的FSL的结构参数计算得到样品的结构参数，最终实现样品结构关键尺寸的反演检测并精度极高且非常快速的得到亚波长尺度微电子结构光学关键尺寸分析结果。其具体实施过程中的逻辑判断流程图如图2所示。

本申请的一种具体实施方式中亚波长尺度微电子结构光学关键尺寸测试分析装置如图3所示，包括宽谱光源1、光束控制器2、探测镜头3、光谱仪4及软件分析平台5。宽谱光源1能够发射波谱范围为190nm～1100nm的平行的TM偏振光束，此光束依次经过光束控制部2中的针孔、第一准直镜片组、偏振器、可调光阑和第一汇聚镜片组，在远场超透镜表面汇聚成一个光斑，再由探测镜头3汇聚产生的衍射光，汇聚后的衍射光通入光谱仪4得到实测零级衍射谱，将得到的实测零级衍射谱输入软件分析平台5。

其中第一准直镜片组包括一片石英透镜和一片胶合透镜，其中胶合透镜由一片近光源侧的石英镜片和一片远光源侧的氟化镁镜片组成，具备使得入射光准直且消色差的光学性能。第一汇聚镜片组的构成与第一准直镜片组相同。探测镜头3包括第二准直镜片组和第二汇聚镜片组，对衍射光进行准直汇聚。探测镜头3将衍射光射向光谱仪4，并由光谱仪4转化为电信号传输给软件分析平台5进行处理。软件分析平台5为NVIDIA公司的GPU加速器和Intel公司的多核处理器组成的GPU/CPU架构的计算平台。

为了更直观地体现本发明所述光学关键尺寸测试分析装置和方法的超分辨的特点，实施例选择周期为100nm的硅/空气光栅作样品进行说明，示意图如图4所示，图4给出了FSL与一维周期光栅的组合结构的截面图，其中下部为样品，样品的光栅厚度是55nm，硅占比0.5，基底是硅；图4的上部为FSL，图5给出了FSL的结构示意图及相关参数。样品光栅周期为Λ₁，FSL的Ag光栅周期为Λ₂。对于图4中上下两部分之间的金属薄板及空气层(统称为均匀层)，可认为其占空比和周期均为1。基底材料硅的折射率为n_s。

为描述清楚，对图4中的错位参数δ作如下定义：以下层样品光栅某个栅脊的中轴线为原点，上层FSL银金属光栅的某个栅脊中轴线的x轴坐标即为错位参数δ。δ具有周期性。若两光栅周期满足lΛ₁＝pΛ₂，其中l和p均为正整数且最大公约数为1。用ε表示│l_iΛ₁-p_iΛ₂│除0外的最小值(l_i＝1，…，l,p_i＝1，…，p)，则δ的周期为ε。作为其中最简单的一种方式，当l＝1且p＝1时，则δ＝│Λ₁-Λ₂│。

研究表明，当空气层厚度h大于0.5微米后，反射率随h呈现周期性变化；而在h小于0.5微米范围内，各衍射级反射率的变化是非周期的，衍射谱与h有一一对应的关系。因此，可用一个可精确控制高度坐标的载物台来将FSL与样品间空气层厚度控制在0.5μm以内，以更好的、精度更高的、且非常快速的得到亚波长尺度微电子结构光学关键尺寸分析结果。

测试时用TM偏振光直接垂直照射FSL表面，对于TM偏振入射光垂直入射时，能够激发一级衍射光，如图6。光栅结构决定了其衍射谱，当有多个衍射级的衍射光是传输光时，就可以测量光栅更精细的结构参数，即使只用到了零级衍射谱。根据上述的具体测量步骤，基于FSL的光学关键尺寸测试/分析系统可以实现更高精度、更小关键尺寸的OCD测量。

对比例

与实施例1的样品和装置相同，区别仅在于不加入FSL，用同样的TM偏振光直接垂直照射该光栅，衍射光中只有零级衍射，而没有高阶衍射。由于衍射极限的存在，衍射光中只有零级衍射，而携带样品的更精细结构信息的高阶衍射都是隐失波，被限制在样品表面的近场区域而不能传播至远场，如图7所示，一级衍射强度均为0(一级衍射曲线与X轴重叠)，这样造成样品结构信息的丢失。因此在这种情况下，通过对比实测的零级衍射与模拟的零级衍射不能反演得到待测样品的更高精度的、更小的关键尺寸。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。