量测方法与流程

本揭露是有关于一种量测方法。

背景技术：

多年来，已经存在装置用于在制造期间的各阶段处评价半导体晶圆的参数。现代材料科学愈加注重于在极小尺度上对材料进行分析及控制。随着几何形状持续缩减，制作商已经愈加转向光学技术以执行半导体晶圆的非破坏性检查与分析。一种类型的光学检查与分析称为光学量测且使用一系列不同光学技术来执行。

技术实现要素：

根据一些实施方式，提供一种半导体样品的布植剂量分布的量测方法。量测方法包含在半导体样品的三维结构中产生光调变效应且量测三维结构的反射信息。获得半导体样品的三维结构的几何形状信息。将三维结构的几何形状信息转换成估计反射数据。比较反射信息与估计反射数据以判定半导体样品的三维结构的布植剂量分布。

附图说明

当结合随附附图阅读时，自以下详细描述将很好地理解本揭露的态样。应注意，根据工业中的标准实务，各特征并非按比例绘制。事实上，出于论述清晰的目的，可任意增加或减小各特征的尺寸。

图1是根据一些实施方式的量测系统的方块图；

图2是根据一些实施方式的用于量测半导体样品的布植剂量分布的方法流程图；

图3是根据一些实施方式的半导体样品的剖视图；

图4是根据一些实施方式的图1的光调变设备的示意图；

图5是根据一些实施方式的图2的操作10的流程图；

图6是根据一些实施方式的图2的操作40的流程图。

具体实施方式

以下揭示内容提供许多不同实施方式或实例，以便实施所提供标的物的不同特征。下文描述组件及布置的特定实例以简化本揭露。当然，此等仅为实例且并不意欲为限制性。举例而言，以下描述中在第二特征上方或第二特征上形成第一特征可包含以直接接触形成第一特征及第二特征的实施方式，且亦可包含可在第一特征与第二特征之间形成额外特征以使得第一特征及第二特征可不直接接触的实施方式。另外，本揭露可在各实例中重复元件符号及/或字母。此重复是出于简明性及清晰的目的，且本身并不指示所论述的各实施方式及/或配置之间的关系。

进一步而言，为了便于描述，本文可使用空间相对性术语(诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…上方”、“上部”及类似者)来描述如图中所图图示明的一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系。除图中所绘示的定向以外，空间相对性术语意欲囊括使用或操作中装置的不同定向。设备可经其他方式定向(旋转90度或处于其他定向)且因此可类似地解读本文所使用的空间相对性描述词。

本揭露的实施方式提供一量测系统及用于使用此量测系统量测一半导体样品的布植剂量分布的一些方法。下文在量测在一块体硅基板上具有多个鳍片的鳍片场效晶体管(Fin Field Effect Transistor,FinFET)的上下文中论述这些实施方式。熟悉此项技术者应了解本揭露的实施方式可使用其他设置。

图1是根据一些实施方式的量测系统100的方块图，图2是根据一些实施方式的用于量测半导体样品的布植剂量分布的方法的流程图，且图3是根据一些实施方式的半导体样品200的剖视图。可应用量测系统100以量测半导体样品200的布植剂量分布。在一些实施方式中，半导体样品200具有三维结构210。在一些实施方式中，半导体样品200可形成为包含鳍片FET的半导体装置，而本揭露在此方面不受限制。

请看图3。半导体样品200包含三维结构210。三维结构210可具有沟槽、凹槽及/或凸块以形成非平坦表面202。在一些实施方式中，三维结构210可包含至少一个鳍片场效晶体管，鳍片场效晶体管置于基板220上。鳍片场效晶体管的半导体鳍片212可为鳍片场效晶体管的源极/漏极特征。在一些实施方式中，半导体鳍片212可形成格栅结构，而本揭露在此方面不受限制。在一些实施方式中，基板210是一半导体基板且可包含已知结构，例如已知结构包含渐变层或隐埋氧化物。举例而言，基板220为硅基板。诸如锗、石英、蓝宝石及玻璃等其他材料可替代地用于基板220。半导体鳍片212可由硅或其他适合半导体材料制成。

举例而言，半导体鳍片212可通过使用光微影技术图案化且蚀刻基板220而形成。在一些实施方式中，一光阻剂材料层(未展示)沉积于基板220上。光阻剂材料层根据期望图案(此情形中为半导体鳍片210)经辐照(曝露)且经显影以移除光阻剂材料的一部分。剩余光阻剂材料保护下面材料免于受后续处理步骤(诸如蚀刻)影响。应注意，诸如氧化物或氮化硅遮罩等其他遮罩亦可用于蚀刻制程中。

多个布植区213形成于半导体鳍片212及/或基板220中。以离子作为掺杂剂而布植至半导体样品200的制程称为离子布植。在一些离子布植制程中，离子束格栅化于半导体样品202的表面202上。离子束中的一些离子引入至半导体样品200的晶格结构中。离子布植制程的持续时间及强度(亦即，半导体样品的总曝露)控制所得掺杂剂浓度。布植制程期间所使用的离子能量控制布植的深度。浓度及深度两者判定离子布植制程的总体效能的因数。布植区213可置于半导体鳍片212的侧壁上、半导体鳍片212内侧及/或半导体鳍片212之间。布植剂量分布可在空间上变化。对于n型鳍片场效晶体管，布植区213可掺杂有n型掺杂剂，诸如磷(P)或砷(As)。对于p型鳍片场效晶体管，布植区213可掺杂有p型掺杂剂，诸如硼(B)，且申请专利范围在此方面不受限制。

请看图1及图3。量测系统100用以量测半导体样品200的布植剂量分布。量测系统100包含光调变设备110、量测设备120、转换器130及分析器140。光调变设备110用以在半导体样品200的三维结构210中产生光调变效应且量测三维结构210的反射信息。量测设备120用以获得半导体样品的三维结构210的几何形状信息。转换器130用以将三维结构210的几何形状信息转换成估计反射数据。分析器140用以比较反射信息与估计反射数据以判定半导体样品200的三维结构210的布植剂量分布。

请看图1及图2。在操作10处，在半导体样品200的三维结构210(请见图3)中产生调变的光调变效应，且量测三维结构210的反射信息。详细而言，请看图4及图5，其中图4是根据一些实施方式的图1的光调变设备110的示意图，且图5是根据一些实施方式的图2的操作10的流程图。光调变设备110包含光调变源112、探测源114及侦测器116。光调变源112用以在半导体样品200的三维结构210(请见图3)中产生光调变效应。探测源114用以在三维结构210中提供探测束115。侦测器116用以侦测反射探测束115以获得反射信息，此反射信息包含由光调变效应诱发的半导体样品200的光学反射率的调变改变。光调变设备110可以非破坏性且非接触方式获得反射信息。

在操作12处，在半导体样品200的三维结构210中产生光调变效应。换言之，(周期性地)光调变半导体样品200的三维结构210。光调变源112可为激发(Pump)激光。可使用气体、固态或半导体激光。用于激发半导体样品200的其他光调变源可包含(诸如来自电子枪)的电磁辐射或粒子束的不同来源。在一些实施方式中，光调变效应为周期性地激发(或加热)三维结构210的周期性波。

在一些实施方式中，光调变源112可产生激发束113，其中激发束113可具有可见、近红外线或红外线波长。可线性地极化光调变源112的激发束113。激发束113穿过分光镜192及194且照射于半导体样品200上。

在一些实施方式中，在穿过分光镜192及194之后，激发束113经由物镜196向下引导至半导体样品200。物镜196可为显微物镜且具有高数值孔径(Numerical Aperture,N.A.)且能够使激发束113聚焦至约为几微米的光斑大小且直径适当地接近1微米。在一些实施方式中，物镜196与半导体样品200之间的间距可由自动聚焦系统(本文未展示)控制。

光调变源112连接至在调变器119控制下的电源118。光调变源112的激发束113经由电源128的输出进行强度调变。调变频率可处于100KHz至100MHz的范围内。在一些实施方式中，调变频率可设定至最多125MHz。若使用离子束激光(诸如氩离子层)来产生激发束113，则可由独立的声光调变器(未展示)达成强度调变。

当用激发束113照射半导体样品200时，价带中的电子吸收入射能量且穿过通向导电带的禁用能隙，从而在价带中留下相同数目的空穴。在一皮秒(picosecond)时间尺度上，电子及空穴变为经由声子发射以晶格光调变从而释放过多能量，且在电子的导电带的底部处及空穴的价带的顶部处结束。在光激发之后，载流子将扩散至晶格且最终重新组合并将其能量转移至半导体样品200。当以谐波方式调变半导体样品200的照射时，出现如同等离子体(电子与空穴组合)扩散方程式的解的波，称为穿行于半导体样品200中的等离子体波。因此，重新组合弛缓机制导致半导体样品200的局部温度的升高。由于激发束113被调变，因此自半导体样品200产生光调变效应(或等离子体波)。在一些实施方式中，激发束113为周期性的，因此半导体样品200为周期性地经光调变且产生周期性等离子体波。

根据上文所述的原理，自经离子布植的半导体样品200产生的等离子体波吸收至半导体样品200中。经离子布植的半导体样品200由于由离子布植制程导致的损害而具有非晶相。非晶相的经离子布植的半导体样品充当等离子体波吸收的主源。由于半导体样品200的布植剂量在空间上变化，因此等离子体波吸收亦在空间上变化。

等离子体波对半导体样品200的表面202(请见图3)的反射率有影响。因此，更改等离子体波的通道的在表面202下方的特征及/或区将更改半导体样品200的表面202处的光学反射率图案。通过量测(或获得)表面202处的半导体样品200的反射率改变，可调查关于表面202下方的特性信息。即，出现于表面202处的反射信息改变归因于温度升高或归因于损害层(亦即，布植区213)处的等离子体。

在操作14处，在半导体样品200的三维结构210上提供探测束115。图4的探测源114提供探测束115。探测源114可为激光。可使用气体、固态或半导体激光。举例而言，探测源114可为氦-氖(He-Ne)激光。在一些实施方式中，探测束115可具有可见、近红外线或红外线波长。可线性极化探测源114的探测束115。激发束113及探测束115具有不同波长。因此，照射于分光镜192上的探测束115由分光镜192反射。因此，可组合激发束113及探测束115，亦即，激发束113及探测束115为共线的。在穿过分光镜192之后，探测束115穿过分光镜194及物镜196且照射于半导体样品200上。在一些实施方式中，使激发束113及探测束115实质上聚焦于半导体样品200的表面202上的同一处。通过使激发束113及探测束115实质上聚焦于同一处，可达成高信号输出强度。

应了解，感兴趣的反射率信号出现于由激发束113周期性地光调变的半导体样品200的表面202上的任何区域处。因此，探测束115就不必与激发束113直接重合从而侦测感兴趣的信号。因此，物镜196无需用于使激发束113或探测束115聚焦。而是，物镜196可将探测束115引导于半导体样品200的经周期性光调变的区域的至少一部分内。

在操作16处，由侦测器116侦测(或获得)反射探测束115’的反射信息。反射探测束115’来自于由调变激发束诱发的半导体样品200的光学反射率的调变(或周期性地调变)改变。详细而言，反射探测束115’照射于分光镜194上且随后反射至侦测器116。在一些实施方式中，提供滤波器(未展示)以阻挡激发束113到达侦测器116。侦测器116提供与反射探测束115’的功率成比例的输出信号。侦测器116可经布置为底部填充以使得其输出可对光束直径或位置的不同改变不敏感。在一些实施方式中，侦测器116产生四个分离输出的象限单元。当用于量测反射束功率时，可将所有四个象限的输出求和。在一些其他实施方式中，侦测器116可量测反射探测束115’的偏转。在这些情形中，将一毗邻象限对的输出求和且将其自剩余象限对的总和减去。

反射探测束115’的反射率改变取决于半导体样品200的介电性质变化。如上文所述，由于调变(或在一些实施方式中周期性调变)激发束113，因此表面202(请见图3)的介电性质会振荡。再者，布植区213(请见图3)的离子布植影响等离子体波的吸收。因此，反射探测束115’的反射信息取决于表面202的介电性质变化。因此，反射信息至少包含半导体样品200的三维结构210的布植剂量分布及介电性质。

此外，三维结构210(请见图3)的几何形状亦影响反射信息。举例而言，若半导体鳍片212形成格栅结构，则探测束115的反射率更取决于格栅的轮廓。详细而言，格栅可将探测束115分裂且绕射成沿不同方向穿行的数个束。这些束的方向取决于格栅的间距及光的波长以使得格栅充当分散元件。这些束亦可形成相长干涉及/或相消干涉从而影响经反射探测束115的反射率。因此，反射信息与布植区213的布植剂量浓度、表面202的介电性质及三维结构210的几何形状相关联。

应注意，图4中的光学设置(亦即，分光镜192及194以及物镜196)为图解说明性的，且不应限制本揭露。熟悉此项技术者可根据实际情形设计热波设备110的适合光学设置。

可自反射信息提取半导体样品200的布植剂量分布。详细而言，请看图1及图2。在操作20处，可由量测设备120获得(或量测)半导体样品200的三维结构210的几何形状信息(请见图3)。在一些实施方式中，量测设备120可以非破坏性且非接触方式获得几何形状信息。对于图3中的半导体样品200，几何形状信息是半导体鳍片212的轮廓。举例而言，几何形状信息包含半导体鳍片212的宽度W及高度H、半导体鳍片212中毗邻两者之间的节距P以及在半导体鳍片212的侧壁与基板220之间形成的角度θ等。在一些实施方式中，量测设备120对半导体样品200的三维结构210的几何形状比对其布植剂量分布更敏感。

在一些实施方式中，量测设备120可为光学临界尺寸(Optical Critical Dimension,OCD)量测仪器(或称作散射量测仪器)。光学临界尺寸量测是为周期性结构绕射光的量测及特征化。经散射或经绕射光图案(通常称为特性(signature))可用于特征化结构形状的细节。由于入射光与结构的材料之间的复杂相互作用，绕射成任何衍射级的入射功率的小部分对结构的形状及尺寸参数敏感且可用于特征化结构。除结构的周期(亦即，节距P)以外，还可通过分析散射图案来量测高度H、宽度W、角度θ及其他参数。

在一些实施方式中，量测设备120可为扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)或临界尺寸扫描电子显微镜(Critical Dimension Scanning Electron Microscope,CD-SEM)。临界尺寸扫描电子显微镜的原理为在真空腔室中自动引入晶圆(举例而言，图1中的半导体样品200)且自顶部观察图案。由于此非破坏性方法，因此临界尺寸扫描电子显微镜可与生产环境相容且可与在线制造制程控制相容。在微电子生产环境中，临界尺寸扫描电子显微镜通常在约300伏特(V)至约1000V之间工作。对于微影应用，工作电压可是在约300V与约500V之间。关于临界尺寸扫描电子显微镜，量测完全自动化，因此减少操作者错误。量测使用辨识图案来定位待量测的图案且重复定位系统。量测亦具有自动化自动聚焦。其束控制系统稳定以便减少量测错误。所生成的电磁场具有较低的能量因此减少图案劣化并限制充电现象。随后通常以减少图像失真而获得良好品质图像，尤其是使用低原子序数元素及在用硅或光敏抗蚀剂工作时。

在一些实施方式中，可在操作20之前执行操作10。即，在获得估计反射数据之前获得反射信息。在一些其他实施方式中，可在操作20之后执行操作10。即，在获得估计反射数据之后获得反射信息。

在操作30处，由转换器130将三维结构的几何形状信息转换成估计反射数据。换言之，基于几何形状信息判定估计反射数据。如本文所用的术语「估计」意指自量测设备120的量测结果间接获得反射数据。即，依据自量测设备120获得的几何形状信息计算或模拟估计反射数据。

在一些实施方式中，通过使用严格耦合波分析(Rigorous Coupled-Wave Analyze,RCWA)方法来转换估计反射数据。换言之，转换器130为RCWA处理器。严格耦合波分析(RCWA)为得到由周期性结构(举例而言，格栅)绕射的电磁场的解的数学机制。其是基于各种光学检查技术(最值得注意的是，用于薄膜量测的椭偏仪)中使用的马克士威(Maxwell)方程式。通过以向量微分形式利用马克士威方程式，且通过在介面处应用边界条件，RCWA计算周期性结构的不同区中的场强度。此方法为基于弗洛凯(Floquet)理论，即，可借助弗洛凯函数(或有时称为布洛赫(Bloch)波)扩展周期性微分方程式的解。

详细而言，格栅的矩形形式为在RCWA中分离空间变数，且使用傅立叶(Fourier)扩展获得解的空间周期性部分，将通过部分微分方程式所描述的问题变换成针对傅立叶振幅的常微分方程式(Ordinary Differential Equations,ODE)的系统。为在数值上求解问题，可离散化无限尺寸持续问题。在RCWA中，此需要傅立叶扩展的截断，接着导出此问题的有限尺寸表示。可以具有针对积分常数的线性代数问题的简洁矩阵表达式的基本矩阵函数的形式写出所得ODE的解。

在一些实施方式中，可更考量调变束的光调变效应以进一步计算估计反射数据。更具体而言，根据热-等离子体耦合效应进一步计算估计反射数据。举例而言，当照射半导体材料的样品时，产生过多载子对。载子可根据所确立的密度梯度而扩散至材料中。载子对分别所具有的能量大约等于材料带隙的能量。此能量在过多电子与空穴重新组合处沉积且导致晶格的局部光调变。因此，取决于样品的光学吸收及样品中与样品上的表面重新组合的特性，可确立样品中介电性质分布。此种通过经光学激发的扩散且重新组合载子而确立固体中的介电性质分布称作光调变效应。

通过包含光调变效应，可藉助RCWA方法将几何形状信息转换成估计反射数据。因此，估计反射数据与表面202(请见图3)的介电性质及三维结构210(请见图3)的几何形状相关联。

请见图1及图2。在操作40处，比较反射信息与估计反射数据以判定半导体样品的三维结构的布植剂量分布。即，基于反射信息及估计反射数据判定布植剂量分布。在一些实施方式中，使用分析器140来比较反射信息与估计反射数据。

图6是根据一些实施方式的图2的操作40的流程图。在操作42处，正规化反射信息。由于原始数据值的范围变化范围大，因此在一些机器学习演算法中物镜功能在未正规化的情况下无法正常运作。因此，可正规化(或重改比例)反射信息。此外，在操作44处，正规化估计反射数据。随后，在操作46处，比较正规化的反射信息与正规化的估计反射数据两者。由于(正规化的)反射信息与布植区的布植剂量浓度、三维结构的表面的介电性质及三维结构的几何形状相关联，且(正规化的)估计反射数据与三维结构的表面的介电性质及三维结构的几何形状相关联，因此可自(正规化的)反射信息提取三维结构210(请见图3)的布植剂量分布。

根据上述实施方式，量测系统与量测方法可以非破坏性且非接触方式量测半导体样品的三维结构的布植剂量分布。详细而言，量测系统的光调变设备可获得三维结构的反射信息。反射信息与布植区的布植剂量浓度、三维结构的表面的介电性质及三维结构的几何形状相关联。量测设备可获得三维结构的几何形状信息。随后，将几何形状信息转换成估计反射数据。通过比较估计反射数据与反射信息，可获得三维结构的布植剂量分布。

根据一些实施方式，提供一种半导体样品的布植剂量分布的量测方法。量测方法包含在半导体样品的三维结构中产生光调变效应且量测三维结构的反射信息。获得半导体样品的三维结构的几何形状信息。将三维结构的几何形状信息转换成估计反射数据。比较反射信息与估计反射数据以判定半导体样品的三维结构的布植剂量分布。

根据一些实施方式，转换包含根据几何形状信息计算估计反射数据。

根据一些实施方式，进一步考量光调变效应而计算估计反射数据。

根据一些实施方式，通过使用严格耦合波分析(Rigorous Coupled-Wave Analyze,RCWA)方法来转换估计反射数据。

根据一些实施方式，三维结构包含多个半导体鳍片。

根据一些实施方式，几何形状信息是半导体鳍片的轮廓。

根据一些实施方式，提供一种半导体样品的布植剂量分布的量测方法。量测方法包含光调变半导体样品的格栅结构。在半导体样品的格栅结构上提供探测束。获得反射的探测束的反射信息。反射信息包含半导体样品的光学反射率的光调变改变。量测半导体样品的格栅结构的几何形状信息。基于几何形状信息来判定估计反射数据。基于反射信息及估计反射数据来判定格栅结构的布植剂量分布。

根据一些实施方式，判定半导体样品的格栅结构的布植剂量分布包含正规化估计反射数据。

根据一些实施方式，判定半导体样品的格栅结构的布植剂量分布包含正规化反射信息。

根据一些实施方式，通过在半导体样品的格栅结构上发射激光束来执行光调变。

根据一些实施方式，激光束及探测束具有不同波长。

根据一些实施方式，判定估计反射数据包含基于几何形状信息来模拟半导体样品的格栅结构的反射率。

根据一些实施方式，进一步考量光调变而模拟半导体样品的格栅结构的反射率。

根据一些实施方式，提供一种量测系统，用于量测半导体样品的布植剂量分布。量测系统包含光调变设备、量测设备、转换器与分析器。光调变设备用以在半导体样品的三维结构中产生光调变效应且量测三维结构的反射信息。量测设备用以获得半导体样品的三维结构的几何形状信息。转换器用以将三维结构的几何形状信息转换成估计反射数据。分析器用以比较反射信息与估计反射数据以判定半导体样品的三维结构的布植剂量分布。

根据一些实施方式，转换器是严格耦合波分析(Rigorous Coupled-Wave Analyze,RCWA)处理器。

根据一些实施方式，光调变设备包含光调变源、探测源与侦测器。光调变源用以在半导体样品的三维结构中产生光调变效应。探测源用以在三维结构上提供探测束。侦测器用以侦测反射的探测束以获得反射信息。反射信息包含由光调变效应诱发的半导体样品的光学反射率的调变改变。

根据一些实施方式，光调变源包含光源与调变器。光源用以提供激发束。调变器用以将激发束调变成调变激发束且引导调变激发束以照射于半导体样品的三维结构上以产生光调变效应。

根据一些实施方式，探测源为激光。

根据一些实施方式，量测设备为光学临界尺寸量测仪器。

根据一些实施方式，量测设备为扫描电子显微镜。

上文概述数个实施方式的特征以使得熟悉此项技术者可较佳地了解本揭露的态样。熟悉此项技术者应明了，其可容易地使用本揭露作为基础来设计或修改其他制程及结构从而实现本文所引用实施方式的相同目的及/或达成本文所引用实施方式的相同优点。熟悉此项技术者亦应认识到，此类等效构造并不背离本揭露的精神及范畴，且其可在不背离本揭露的精神及范畴的情况下做出各类改变、替代及变更。