一种进行测量光谱与库光谱匹配的方法及其设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及半导体制造领域。特别的，涉及一种在半导体制造工艺的光学关 键尺寸（Optical Critical-Dimension, 0〇))测量设备中"半导体娃片微观结构测量光谱" 与"理论数据库光谱"进行匹配的方法及其设备。
【背景技术】
[0002] 在45nm以下节点制造技术的发展中，芯片代工厂（foundry)和集成器件制造商 (IDM)面对大量的测量挑战。只有通过严格的尺寸分布控制才能获得完整的电路功能和保 持器件高速工作，因此，成功地在线测量对推进良率和保持赢利极为必要。然而，由于图形 尺寸和设计规则的缩小，以及因新制程和新材料而不断引入独特的测量要求，使得在线测 量面临着全新挑战。对于在新制程新技术中实现快速精确测量微细结构的需求，新的成像 技术不断地应用于半导体工艺形貌的测量中，如扫描电子显微镜（CD-SEM)、原子力显微镜 (AFM)等，其实现了对高精度的关键尺寸（CD)、沟槽深度尺寸的测量。但其测量过程复杂耗 时，对样品可能造成破坏性，无法实现在线测量。光学薄膜测量仪可以对多层不同材料的薄 膜厚度进行测量，但其不能对有图形结构区域进行形貌和横向尺寸测量。
[0003] 半导体工艺中的许多尺寸特征反映在特定被测区域里，该区域包含新技术和新制 程中需要精确控制的微细结构。OCD设备正是通过获取特定被测区域周期性结构的散射信 号以及结构的模型从而估计出结构的具体参数。OCD方法可以实现关键尺寸（CD)及其它形 貌尺寸的测量。在具体的测量案例中，所获得的诸多工艺尺寸可能同时需要扫描电子显微 镜、原子力显微镜、光学薄膜测量仪等分别完成。由于OCD测量方法具有非接触性、非破坏 性、同时测量多个工艺特征、以及可实现工艺的在线测量等诸多优势，因此其被越来越广泛 地应用于半导体制造工业中，并朝着更快速更准确地测量愈精细结构的方向迅速发展。
[0004] 0⑶测量的原理总体上可描述为：建立与样品的形貌模型相对应的理论光谱库， 并从此库中寻找特定的理论光谱实现与OCD测量设备获得的测量光谱的最佳匹配，从而确 定其形貌参数。测量光谱为OCD测量设备获取的样品周期性介质的散射光信号，虽然通过 测量光谱不能直接反推出介质的分布，但是可以将散射介质的分布建立模型并参数化，并 使用数值计算的方法计算出该模型对应于不同参数值的理论光谱库，即对OCD测量设备获 取测量光谱时的光散射进行仿真计算。从理论光谱库中寻找出与测量光谱最佳匹配的理论 光谱相对应的特定参数，从而间接确定样品的介质的分布。
[0005] 光谱匹配过程首先根据样品的工艺信息建立样品周期性结构的形貌模型V，形貌 模型由形貌参数P(样品轮廓结构参数）决定。根据待测样品有关工艺的可能偏移量，设置 模型所包含的各个形貌参数的浮动范围。我们使用索引号index来标记每个形貌模型的编 号，一个v ind?对应一个具体的形貌。假定Vind?有I个形貌参数P，每个形貌参数由J个不 同的数值。那么第i个形貌参数可以表达为Pi，它有Ji个不同的浮动值。通过理论光谱的 计算模块可以计算出Sv intfa决定的形貌样品其散射的理论光谱LS(v，λ)。最终将全部的 光谱按索引顺序组成光谱库，在光谱库中一条光谱ls(v imfa，λ)对应一个结构形貌Vimfa。 / 此谱数据库的理论光谱LS (ν，λ )的总数目为Wtohrf = Jlj/，即Ji到JI的乘积。理论光谱 计算模块的通常包括严格波稱合分析理论Rigorus Coupled Waveguide Analysis(RCWA) 算法。
[0006] 大量的测量光谱S (V，λ )通过〇⑶测量设备获取。不考虑测量噪声，当我们在光 谱数据库中找到ls(Vin(fa，λ) =8(λ)，那么^^^就即为测量样品的形貌，所对应的形貌 参数P也即是所要获得的测量参数。
[0007] 匹配标准通常使用适合度GOF(Goodness of Fit)和均方差MSE(Mean Square Error)等。这里我们使用MSE的匹配标准，MSE值越小则表明两条光谱的越相似，若MSE = 0,则表明这两条光谱完全相同。MSE的定义如下：
【主权项】
1. 一种在光学关键尺寸测量设备中进行测量光谱与库光谱匹配的方法，其中： A. 根据已知的样品信息建立样品形貌模型M; B. 获取被测样品的各个测量光谱Sn并求出平均测量光谱SO; C. 求出所述各个测量光谱Sn与所述平均测量光谱SO间的均方差MSE，最大的均方差 MSEm所对应的测量光谱为最远测量光谱Sm; D. 根据所述平均测量光谱SO和最远测量光谱Sm确定光谱库中参与匹配的光谱的范围 RS； E. 在所述匹配范围RS内匹配所述各个测量光谱Sn,并得到所述各个测量光谱Sn的匹 配参数Pn。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤D中，进一步包括： dl.设定所述形貌模型M的参数的变量范围Rp; d2.建立光谱数据库L; d3.从所述光谱数据库L中，获得匹配所述平均测量光谱SO的中心库光谱LSO和中心 参数P0,以及匹配所述最远测量光谱的最远库光谱LSm和最远参数Pm; d4.检查所述中心参数PO和所述最远参数Pm是否匹配到所述变量范围Rp的边界上：d41.当匹配到所述变量范围Rp的边界上时,则扩大所述变量范围Rp,并实施所述步骤 d2； d42.当未匹配到所述变量范围Rp的边界上时,则实施步骤d5 ;d5.把所述中心库光谱LSO和所述最远库光谱LSm之间的均方差MSELm与所述平均测 量光谱SO和所述最远测量光谱Sm之间的均方差MSEm中的较大值设定为最大均方差MMSE; d6.根据所述中心参数P0、所述中心库光谱LSO和所述最大均方差MMSE确定所述匹配 范围RS。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，在所述步骤d6中，进一步包括： 以中心参数PO所对应的模型为中心模型，计算其周围参数Pi的库光谱LSi和所述中 心库光谱LSO的均方差MSEi: 当MSEi<r*MMSE时，所述库光谱LSi的权重设为1 ; 当MSEi彡r*MMSE时，所述库光谱LSi的权重设为0 ; 其中，所述r为调整系数；权重设为1的库光谱LSi为所述匹配范围RS内的库光谱；所 述参数Pi位于所述变量范围内Rp。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，还包括步骤F: 当所述步骤E中获得的所述匹配参数Pn仍有匹配到所述变量范围Rp的边界上的情况 时，扩大所述变量范围Rp，并实施所述步骤d2; 当所述步骤E中获得的所述匹配参数Pn没有匹配到所述变量范围Rp的边界上的情况 时，输出所述匹配参数Pn。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，在所述步骤d6中，所述r是取值范围为1-3的 数。
6. 根据权利要求4所述的方法，其中，在所述步骤d6中，还包括： 当模型空间中包围所述中心参数值PO的单连通高维度岛状几何结构表面上的任意一 个所述参数Pi的库光谱LSi的权重都为0时，则所述单连通高维度岛状几何结构表面外部 的Pi的库光谱LSi的权重都设为0。
7. 根据权利要求4所述的方法，其中，在所述步骤d6中，以中心参数PO所对应的模型 为中心模型，根据与所述中心参数PO的距离的远近，由近至远逐步向外计算其周围参数Pi 的库光谱LSi和所述中心库光谱LSO的均方差MSEi。
8. -种光学关键尺寸的测量设备，其特征在于使用权利要求1至7中任一所述的方法 对测量光谱与库光谱进行匹配，并输出匹配后的匹配参数。
【专利摘要】本发明公开了一种在光学关键尺寸测量设备中进行测量光谱与库光谱匹配的方法，其中：A.根据已知的样品信息建立样品形貌模型M；B.获取被测样品的各个测量光谱Sn并求出平均测量光谱S0；C.求出所述各个测量光谱Sn与所述平均测量光谱S0间的均方差MSE，最大的均方差MSEm所对应的测量光谱为最远测量光谱Sm；D.根据所述平均测量光谱S0和最远测量光谱Sm确定光谱库中参与匹配的光谱的范围RS；E.在所述匹配范围RS内匹配所述各个测量光谱Sn，并得到所述各个测量光谱Sn的匹配参数Pn。
【IPC分类】G06F17-30
【公开号】CN104778181
【申请号】CN201410016003
【发明人】陈慧萍, 施耀明, 徐益平
【申请人】睿励科学仪器（上海）有限公司
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2014年1月14日
【公告号】US20150198434