半导体结构的孔隙度测量的制作方法
本专利申请案根据35u.s.c.§119主张于2016年5月2日申请的标题为“使用毛细血管冷凝的孔隙度及关键尺寸测量(porosityandcriticaldimensionmeasurementsusingcapillarycondensation)”的第62/330,751号美国临时专利申请案及于2017年1月3日申请的标题为“使用液体填充的关键尺寸测量(criticaldimensionmeasurementsusingliquidfilling)”的第62/441,887号美国临时专利申请案及于2016年7月7日申请的标题为“借助于毛细血管冷凝的关键尺寸测量(criticaldimensionmeasurementswithcapillarycondensation)”的第15,204,938号美国专利申请案的优先权，所述申请案中的每一者的标的物的全部内容以引用的方式并入本文中。
所描述实施例涉及计量系统及方法，且更特定来说涉及用于在半导体产业中制造的结构的经改进测量的方法及系统。
背景技术：
例如逻辑及存储器装置的半导体装置通常是由应用于样品的一系列处理步骤制造。半导体装置的各种特征及多个结构层级是由这些处理步骤形成。举例来说，其中光刻是涉及在半导体晶片上产生图案的一个半导体制造过程。半导体制造过程的额外实例包含(但不限于)化学机械抛光、蚀刻、沉积及离子植入。多个半导体装置可在单一半导体晶片上制造且接着分离成个别半导体装置。
在半导体制造过程期间的各个步骤使用光学计量过程以执行测量并检测晶片上的缺陷以促进较高良率。光学计量技术使得可能实现高处理量而无样本破坏的风险。通常使用包含散射测量术、椭偏测量术及反射测量术实施方案以及相关联的分析算法的若干基于计量的技术以特性化关键尺寸、膜厚度、组合物、重叠及纳米级结构的其它参数。
用于半导体装置的制造中的膜的孔隙度显著地影响装置性能。多孔膜在半导体制造过程中用作电介质层。在一些实例中，通过增加孔隙度而减小膜的电介质常数。这导致经减小切换延迟和经改进装置性能。需要快速地并以非破坏性方式测量孔隙度。特定来说，总孔隙度、孔大小、孔大小分布及孔密封是针对过程监测及工具监测应用的受关注参数。
当前，孔隙度测量最常使用x射线反射率及正电子湮没光谱学(pals)技术而执行。不幸的是，这些技术不适用于生产环境。
椭偏孔隙度测定术已经开发为用于基于光谱椭偏术(se)而测量孔隙度的技术。此技术将吸附/解吸附等温线与液体填充孔及无液体孔的折射率的测量组合在一起。不幸的是，这些测量通常在高真空环境中执行，其适用作实验室参考技术，但不适用于高体积制造。示范性技术描述于a.布儒瓦(a.bourgeois)等人的薄固体膜(thinsolidfilms)455-456,pp.366-369(2004)的“使用可见光范围内由光谱椭偏术研究的溶剂吸附的非均匀多孔低k膜的孔隙度的描述(descriptionoftheporosityofinhomogeneousporouslow-kfilmsusingsolventadsorptionstudiedbyspectroscopicellipsometryinthevisiblerange)”、c.根来(c.negoro)等人的jap.j.ofappl.phys.vol.43no.4,pp.1327-1329(2004)的“一系列周期性多孔二氧化硅薄膜的原位光谱椭偏术在蒸汽池中的无损表征(nondestructivecharacterizationofaseriesofperiodicporoussilicafilmsbyinsituspectroscopicellipsometryinavaporcell)”及f.n.杜利采夫(f.n.dultsev)的薄固体膜458,pp.137-142(2004)的“使用椭偏吸附光谱法研究多孔层的微孔结构(investigationofthemicrorporousstructureofporouslayersusingellipsometricadsorptionporometry)”中，所述文献中的每一者的全部内容以引用的方式并入本文中。
经指派给科磊公司(kla-tencor,corporation)且其全文以引用的方式并入本文中的第7,907,264号美国专利案描述基于在不同相对湿度条件中的折射率的测量而估计薄膜的孔隙度的方法。孔隙度的估计是基于折射率与膜孔隙度之间的相关性。然而，通过使用受信任测量工具(例如x射线反射计或pals系统)来执行代表样品的孔隙度测量而脱机建立相关性。
未来的计量应用归因于越来越小的分辨率要求、多参数相关性、越来越复杂的几何结构及越来越多地使用不透明材料而提出挑战。因此，需要用于经改进测量的方法及系统。
技术实现要素：
本文提出用于通过毛细管或孔冷凝法而执行由冷凝物填充的几何结构的光学测量的方法及系统。当使用包含经控制量的填充材料的净化气体的流动来处理在被测量计量目标周围的局部环境时，执行测量。所述填充材料的一部分(即冷凝物)冷凝到被测量结构上且填充结构特征中的开口(例如平面膜的孔)、结构特征之间的间距、小体积(例如凹口、沟槽、狭缝、接触孔等)。
一方面，基于待通过气体吸附填充的最大特征大小而确定经提供到被测量结构的所述气体流动中的汽化材料的所要饱和度。
另一方面，使用包含从具有由冷凝物填充的几何特征的计量目标收集的测量信号的数据集来执行孔隙度的基于模型的测量。所述冷凝物的存在相较于其中所述净化气体缺乏任何填充材料的测量情况改变被测量结构的光学性质。
在一些实例中，针对不同吸附状态而执行计量目标的多个测量。每一测量对应于经冷凝到被测量结构上的冷凝物的不同量。通过收集与具有由不同量的冷凝物填充的几何特征的计量目标相关联的测量信号信息，浮动测量参数当中的参数相关性减小且测量准确度改进。
在一些实施例中，通过控制所述气体流动中的填充材料的分压而调节在经提供到被测量结构的气体流动中汽化的填充材料量。在一些实施例中，使不饱和净化气体的流动与饱和净化气体的流动混合。这些流动的比率经调节以调整所述经组合流动中的填充材料的分压。
在一些实施例中，使净化气体鼓泡通过填充材料的液池以产生完全使用填充材料饱和的净化气体的流动。在所述净化气体流动中汽化的填充材料的分压是等于在填充材料的液池上的所述填充材料的平衡压。
在一些实施例中，使填充材料的液池维持于相同于被测量样品的温度处。在一些其它实施例中，使填充材料的液池维持于低于被测量样品的温度处。
在一些实施例中，通过添加不挥发性溶质于填充材料的液池中(其抑制所述填充材料的平衡蒸汽压)而控制在晶片处的汽化填充材料的饱和度。在这些实施例中，通过控制溶液中的溶质的浓度而调节汽化填充材料的饱和度。
在一些实施例中，所述填充材料响应于经提供到被测量结构的照明光而展现荧光性以增强测量对比，特定来说在基于图像的测量应用中。
前述是发明内容且因此必然含有细节的简化、概括及省略；因此，所属领域的技术人员将了解，发明内容仅是阐释性且不以任何方式限制。本文中所描述的装置及/或过程的其它方面、发明特征及优点将在本文中所陈述的非限制性详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1是说明用于测量经历气体吸附的半导体晶片的结构的孔隙度的系统100的图。
图2是说明在一个实施例中的系统100的蒸汽注入系统120的图。
图3是说明在另一实施例中的系统100的蒸汽注入系统120的图。
图4描绘包含水、甲苯及乙醇的汽化的焓δh的表127。另外，表127说明晶片温度与液体填充材料的池的温度之间的差以在晶片处达到0.9的填充材料的相对饱和。
图5描绘水的分压随着水池中的盐酸的浓度而变的曲线128。
图6描绘说明与水、甲苯及乙醇相关联的摩尔体积及表面张力的表129。
图7描绘说明圆柱形孔的最大直径的曲线172，所述圆柱形孔可根据开尔文(kelvin)方程式通过针对水、乙醇及甲苯作为填充材料在不同分压处的吸附而填充。
图8描绘说明长的沟槽状特征的最大直径的曲线160，其可根据开尔文方程式通过针对水、乙醇及甲苯作为填充材料在不同分压处的吸附而填充。
图9描绘使用如参考图1所描述的光谱椭偏仪的原硅酸四乙酯(teos)膜结构的折射率的测量。
图10描绘经估计体积孔隙度百分比随着基于图9中所说明的测量确定的波长而变的曲线179。
图11描绘具有多孔层185的被测量关键尺寸结构180。
图12描绘与针对在具50％相对湿度的环境中的不同孔隙度水平随着波长而变的层185的折射率相关联的曲线189到193。
图13描绘具光谱椭偏仪(例如参考图1所描述的se系统)的结构180的侧壁角的测量的时间序列。
图14说明在一个实例中用于执行经历气体吸附的结构的孔隙度测量的方法200。
具体实施方式
现将详细参考本发明的背景实例及一些实施例，本发明的实例说明于附图中。
本发明提出用于通过毛细管冷凝过程而执行由冷凝物填充的半导体结构的孔隙度测量的方法及系统。当使用包含经控制量的填充材料的净化气体的流动来处理在受关注结构周围的局部环境时，执行孔隙度的光学测量。所述填充材料的一部分(即冷凝物)冷凝到被测量结构上且填充结构特征中的开口、结构特征之间的开口等。所述冷凝物的存在相较于其中净化气体缺乏任何填充材料的测量情况改变所述被测量结构的光学性质。
在一些实例中，针对不同吸附状态而执行结构的多个测量。换句话说，每一测量对应于经冷凝到被测量结构上的不同量的冷凝物。通过收集与由不同量的冷凝物填充的结构相关联的测量信号信息，使用丰富测量数据集执行孔隙度测量。
在一些实例中，半导体结构的孔隙度的估计是直接基于在使用洛兰兹-洛兰兹(lorentz-lorentz)模型的未填充及填充状态两者中所述结构的测量而确定。在一些这些实例中，平面膜(例如低k电介质膜及原硅酸四乙酯(teos)膜)的孔隙度是基于本文中所描述的方法而确定。孔隙度测量可包含孔大小、孔分布、孔体积等的估计。
在另一方面中，半导体结构的孔隙度及关键尺寸测量是基于经组合测量模型而执行。使用包含从具有由冷凝物填充的几何特征的结构收集的测量信号的丰富数据集来执行基于模型的测量。这减小浮动关键尺寸及孔隙度参数当中的参数相关性且改进测量准确度。
图1说明用于测量半导体晶片的特性的系统100。如图1中所展示，系统100可用以执行安置于晶片定位系统110上的半导体晶片112的一或多个结构114的光谱椭偏术测量。在此方面中，系统100可包含配备有照明器102及光谱仪104的光谱椭偏仪101。系统100的照明器102经配置以产生并引导所选波长范围(例如100到2500纳米)的照明到安置于半导体晶片112的表面上的结构114。光谱仪104又经配置以从半导体晶片112的表面接收光。进一步注意，使用偏光状态产生器107使从所述照明器102出射的光偏光以产生偏光照明光束106。通过安置于晶片112上的结构114反射的辐射通过偏光状态分析器109且到光谱仪104。就偏光状态分析由光谱仪104以收集光束108接收的辐射，从而允许通过分析器传递的辐射进行光谱分析。所检测光谱111被传递到计算系统116用于分析结构114。
计算系统130经配置以接收与归因于气体吸附而经填充的样品112的结构114的测量(例如，关键尺寸、膜厚度、组合物、过程等)相关联的测量数据111。在一个实例中，测量数据111包含基于来自光谱仪104的一或多个取样过程的由测量系统100的样品的经测量光谱响应的指示。在一些实施例中，计算系统130进一步经配置以从测量数据111确定结构114的样品参数值。在一个实例中，计算系统130经配置以利用实时关键尺寸(rtcd)实时存取模型参数，或其可存取预计算模型库以用于确定与目标结构114相关联的至少一个受关注参数的值。在一些实施例中，所述一或多个受关注参数的经估计值存储于存储器(例如存储器132)中。在图1中所描绘的实施例中，所述一或多个受关注参数的经估计值115传送到外部系统(未展示)。
一般来说，椭偏术是测量被检验样品的物理性质的间接方法。在大多数情况下，原始测量信号(例如αmeas及βmeas)不可用以直接确定样品的物理性质。标称测量过程由结构(例如膜厚度、关键尺寸、材料性质等)及机器(例如波长、入射角、偏振角等)的参数化组成。产生试图预测经测量值(例如αmeas及βmeas)的测量模型。如方程式(1)及(2)中所说明，所述模型包含与机器(pmachine)及样品(pspecimen)相关联的参数。
αmodel＝f(pmachine，pspecimen)(1)
βmodel＝g(pmachine，pspecimen)(2)
机器参数是用以特征化计量工具(例如椭偏仪101)的参数。示范性机器参数包含入射角(aoi)、分析角(a0)、偏光角(p0)、照明波长、数值孔径(na)、补偿器或波片(如果存在)等。样品参数是用以特征化样品(例如包含结构114的样品112)的参数。对于薄膜样品，示范性样品参数包含折射率、电介质函数张量、所有层的标称层厚度、层序列等。针对cd样品，示范性样品参数包含与不同层相关联的几何参数值、与不同层相关联的折射率等。为测量目的，所述机器参数经处理为已知的固定参数，且所述样品参数中的一或多者经处理为未知的浮动参数。
在一些实例中，浮动参数是通过产生理论预测与实验数据之间的最佳拟合的迭代过程(例如，回归)解析。改变未知样品参数pspecimen且计算模型输出值(例如αmodel及βmodel)，直到确定导致所述模型输出值与实验测量值(例如αmeas及βmeas)之间的近似匹配的样品参数值集为止。在对cd样品的基于模型的测量应用(例如光谱椭偏术)中，采用回归过程(例如普通最小二乘法回归)以识别样品参数值，其针对固定机器参数值集最小化模型输出值与实验测量值之间的差。
在一些实例中，通过通过预计算解决方案的库的搜索来解析浮动参数，以找到最接近匹配。在对cd样品的基于模型的测量应用(例如光谱椭偏术)中，采用库搜索过程以识别样品参数值，其针对机器参数值的固定集来最小化预计算输出值与实验测量值之间的差。
在一些其它实例中，基于模型的库回归或信号响应计量模型是用以估计受关注参数的值。
在基于模型的测量应用中，通常需要简化假设以维持充分处理量。在一些实例中，必须减小严格耦合波分析(rcwa)的截取阶，以最小化计算时间。在另一实例中，减小库函数的数目或复杂性，以最小化搜索时间。在另一实例中，通过固定某些参数值来减小浮动参数的数目。在一些实例中，这些简化假设导致一或多个受关注参数(例如关键尺寸参数、重叠参数等)的值的估计中的不可接受的误差。通过执行经历如本文中所描述的气体吸附的结构的测量，可使用经减小参数相关性及经增加测量准确度来解决基于模型的测量模型。
如图1中所描绘，计量系统100包含经配置以在测量期间提供气体流动126到结构114的蒸汽注入系统120。一方面，气体流动126包含净化气体及在所述净化气体中汽化的填充材料。当所述气体流动接触结构114时，吸附发生，且所述填充材料的一部分(即冷凝物)冷凝到被测量结构114上。所述冷凝物填充结构114的一或多个结构特征的至少一部分。所述冷凝物的存在改变所述经测量结构的光学性质。
在一些实施例中，当所述净化气体流动不包含填充材料(例如纯氮气或干净干燥空气)时，执行测量，且当所述净化气体流动包含填充材料时，执行另一测量，使得冷凝物完全填充所述被测量结构特征之间的开口。将从这两个测量收集的测量数据传送到计算系统130，且基于两个测量数据集来完成一或多个受关注结构参数的估计。
在一些实施例中，在不同吸附条件下执行一系列测量，使得到被测量结构特征上的冷凝量针对每一测量是不同的。将从所述系列的测量收集的测量数据传送到计算系统130，且基于所收集测量数据来完成一或多个受关注结构参数的估计。
如图1中所描绘，将填充材料123的量从填充材料源121运输到蒸汽注入系统120。另外，将净化气体124的流动从净化气体源122运输到所述蒸汽注入系统。蒸汽注入系统120致使填充材料汽化到净化气体的所述流动中，以产生经提供到被测量结构114的气体流动126。在图1中所描绘的实施例中，由从计算系统130传送到蒸汽注入系统120的命令信号125来控制净化气体的所述流动及经汽化到净化气体的所述流动中的填充材料量。因此，命令信号125控制气体流动126的所要组合物。如图1中所描绘，气体流动126通过喷嘴105，喷嘴105引导气体流动126到在晶片110上的具有适当流动特性的所要位置。
图1描绘经局部提供到被测量计量目标的气体流动126。然而，一般来说，可在整个晶片上、通过从照明源到检测器的光束路径的任何部分或其任何组合来提供气体流动126。提供净化气体流动于晶片上且通过照明源与检测器之间的光束路径的各种实例是描述于希登·夸克(hidongkwak)等人的于2010年7月13日颁布的第7,755,764号美国专利案中，所述专利案的标的物的全部内容以引用的方式并入本文中。
可进一步如本文中所描述那样配置图1中所说明的系统100的实施例。另外，系统100可经配置以执行本文中所描述的方法实施例中的任何者的任何其它块。
图2是说明在一个实施例中的蒸汽注入系统120的图。在此实施例中，调节汽化于经提供到被测量晶片112的气体流动126中的填充材料量(即冷凝物的分压)。通过调节所述填充材料的分压来控制通过毛细管冷凝法填充的结构尺寸。
在图2中所描绘的实施例中，在净化气体流动(例如氮气、干净、干燥空气等)中被汽化的填充材料的分压是等于在所述填充材料的液池(使所述净化气体鼓泡通过其)上的所述填充材料的平衡压。在一个实例中，鼓泡类型蒸汽注入系统是1.2升容量不锈钢起泡器，型号z553360，可从密苏里(美国)圣路易斯的西格玛奥德里奇公司(sigma-aldrich,st.louis,missouri(usa))购得。
如图2中所描绘，净化气体流动124的部分146通过质量流控制器148a且净化气体流动124的另一部分145通过质量流控制器148b。分别通过质量流控制器148a及148b的状态(例如质量流控制器的阀的位置)而控制气体流动146及145的流动速率。以此方式，填充材料经汽化到其中的净化气体流动124的量由质量流控制器148b控制，且不经历汽化的净化气体流124的量由质量流控制器148b控制。在图2中所描绘的实施例中，从计算系统130传送到蒸汽注入系统120的命令信号125包含多个信号149a到149c。信号149a包含所要流动通过质量流控制器148a的指示。作为响应，质量流控制器148a调整到所要流动，且因此调整到无填充材料经汽化到其中的净化气体流动的所要比例。信号149b包含所要流动通过质量流控制器148b的指示。作为响应，质量流控制器148b调整到所要流动，且因此调整到填充材料经汽化到其中的净化气体流动的所要比例。净化气体流动124的部分145通过止回阀142、流动控制阀143及到起泡器140中。在起泡器140中，填充材料的量经汽化到净化气体流动124的部分145中以产生净化气体及填充材料的气体流动147。使气体流动147与不流动通过起泡器140的净化气体的部分146组合以产生气体流动126。
在一些实施例中，控制质量流控制器149a及149b，使得净化气体流动124的全部流动通过起泡器140或完全旁通起泡器140。以此方式，气体流动126是具有填充材料的零分压的干燥净化气体流动124，或整个净化气体流动124经历填充材料的汽化。
随着填充材料经汽化于起泡器140中且作为气体流动147而被带走，额外填充材料123从填充材料源121流动以维持起泡器140中的恒定填充水平。在一些实施例中，基于水平传感器及流动控制方案而自动地控制所述填充水平。在一些其它实施例中，通过手动填充操作而周期性地维持所述填充水平。
在一个实施例中，通过调整填充材料经汽化到其中的净化气体流动145相对于不经历汽化的净化气体流动146的部分的比例而控制在周围温度ta处的气体流动126中的汽化填充材料的饱和度。在优选实施例中，使起泡器140中的填充材料的温度维持于相同于被测量晶片(例如周围温度ta)的温度处。在这些条件下，气体流动126中的填充材料的相对饱和p0/p描述于方程式(3)中，其中f1是完全饱和气体流动147的流动速率且f2是不饱和气体流动146的流动速率。
如图2中所说明，使气体流动146及147组合以形成经提供到被测量晶片的气体流动126。因此，通过传送命令信号148a及148b以调节f1及f2的总和而控制经提供到被测量晶片的总流动。通过传送命令信号148a及148b以调节f1与f2的比率而控制经提供到被测量晶片的所述流动的相对饱和。
在另一实施例中，通过维持所述液池于低于周围温度ta的温度t处而控制所述周围温度处的汽化填充材料的饱和度。通过通过方程式(4)所说明的克劳修斯-克拉伯龙(clausius-clapyron)方程式给出纯物质的平衡蒸汽压p0与温度t之间的关系，其中δh是纯物质的汽化的焓且r是理想气体常数，其是8.31j/mole·°k。
基于方程式(4)，通过方程式(5)说明针对在小于周围温度ta的温度t处饱和的填充材料的相对饱和p/p0。
图4描绘包含水、甲苯及乙醇的汽化的焓δh的表127。这些物质中的每一者可适用于如本文中所描述的填充材料。另外，表127说明当周围温度是25摄氏度且填充材料的所要相对饱和p/p0是0.9时周围温度(即晶片温度)与池温度之间的差。如表127中所说明，通过维持池温度低于周围温度所说明量，针对各所列填充材料维持分压于0.9处。可有利利用这些物质中的任何者作为填充材料，因为在晶片与起泡器140的液池之间维持近似2摄氏度的温度差是相对较简单的事情。在此实施例中，可在不组合干燥净化气体146的流动与饱和净化气体147的流动的情况下控制在周围温度ta处的气体流动126中的汽化填充材料的饱和度。换句话说，流动146可设置成零，且通过起泡器温度与晶片温度之间的温度差而控制在周围温度ta处的气体流动126中的汽化填充材料的饱和度。在一些其它实例中，使干燥净化气体146的流动与饱和净化气体147的流动组合，且通过起泡器温度与晶片温度之间的温度差及气体流动146与气体流动147的流动速率的比率的组合而控制在周围温度ta处的气体流动126中的汽化填充材料的饱和度。
在一些实施例中，池温度及晶片温度经测量且传送到计算系统130。计算系统确定晶片温度与池温度之间的差且计算所要晶片温度、池温度或两者。在一些实施例中，计算系统130产生指示所要池温度的命令信号149c到蒸汽注入系统120。作为响应，蒸汽注入系统120使用局部加热或冷却单元(未展示)调整所述池温度到所要值。在一些实施例中，计算系统130产生指示所要晶片温度的命令信号(未展示)到晶片调节子系统(未展示)。作为响应，所述晶片调节子系统使用晶片加热或冷却单元(未展示)来调整所述晶片温度到所要值。在一些实施例中，计算系统130产生指示所要晶片温度的命令信号113(图1中所描绘)到局部晶片加热元件103。作为响应，加热单元103使用辐射加热元件来局部(即在测量位置的紧接附近)调整所述晶片温度到所要值。
在一些实施例中，由与蒸汽注入系统120相关联的计算系统控制所述晶片与所述池之间的温度差的控制。就此意义来说，通过非限制性实例提供由计算系统130对晶片与池之间的温度差的控制。可在此专利文献的范围内想到任何合适控制架构及温度调节方案。
图3是说明在另一实施例中的蒸汽注入系统120的图。相同数字的元件是类似于参考图2所描述的元件。
如图3中所描述，净化气体124的流动通过三向阀141。在一些实施例中，三向阀141基于所述三向阀的位置而使流动通过起泡器140的净化气体流动124的部分145与不流动通过起泡器140的部分146成比例。以此方式，由三向阀141控制填充材料经汽化到其中的净化气体流动124的量。在图3中所描绘的实施例中，从计算系统130传送到蒸汽注入系统120的命令信号125包含多个信号149c到149d。在图3中所描绘的实施例中，信号149d包含三向阀141的所要位置的指示。作为响应，三向阀141调整到所要位置及因此填充材料经汽化到其中的净化气体流动的所要比例。净化气体流动124的部分145通过止回阀142、流动控制阀143及到起泡器140中。在起泡器140中，填充材料的量经汽化到净化气体流动124的部分145中以产生净化气体及填充材料的气体流动147。使气体流动147与不流动通过起泡器140的净化气体的部分146组合以产生气体流动126。
在一些实施例中，控制三向阀141以使得净化气体流动124的整体完全基于所述三向阀的位置而流动通过起泡器140或旁通起泡器140。以此方式，取决于三向阀141的状态，气体流动126是具有填充材料的零分压的干燥净化气体流动124，或整个净化气体流动124经历填充材料的汽化。
如参考图3所描述，通过相对于不经历填充材料的汽化的净化气体流动124的部分146调节经历填充材料的汽化的净化气体流动124的部分145而控制经提供到被测量晶片的填充材料量。另外，通过调节所述晶片温度与所述池温度之间的差而控制晶片温度处的汽化填充材料的饱和度。
在另一实施例中，通过添加不挥发溶质于溶剂(即填充材料)的液池中而控制在周围温度下的汽化填充材料的饱和度，其相较于单独溶剂的平衡蒸汽压抑制溶剂的平衡蒸汽压。在一个实例中，由水作为溶剂及不挥发溶质(例如氯化钠、盐酸等)形成的溶液展示小于纯水的平衡蒸汽压的水的蒸汽压。图5描绘水的分压随着水池中的盐酸的浓度而变的曲线128。针对溶解于水中的氯化钠的溶液存在类似结果。举例来说，6％氯化钠溶解于水中的溶液产生90％的相对湿度p/p0。
在这些实施例中，通过控制溶液中的溶质的浓度而调节汽化填充材料(即溶剂)的饱和度。在一些实施例中，控制所述池中的溶剂量以维持所要浓度，及因此汽化溶剂的所要分压。在这些实施例中，精确温度控制是不必要的，只要使池温度标称地维持于周围温度(即晶片温度)处即可。
一般来说，任何合适净化气体及填充材料可经选择用于使用于执行如本文中所描述的测量中。示范性净化气体包含惰性气体、氮气及干净干燥空气。合适净化气体的选择主要通过半导体制造设备中的可用性驱使。示范性填充材料包含水、乙醇、异丙醇、甲醇、苯、甲苯等。合适填充材料的选择通过用以控制蒸汽压、空填充特性、光学特性及填充材料与被测量样品之间的任何化学反应的能力驱使。
举例来说，在基础测量模型中考虑填充材料的折射率及填充材料的吸收系数两者，因为液体填充材料不仅折射入射光，而且吸收入射光。这些特性两者产生使用填充执行的测量与不使用填充执行的测量之间的差，特定来说在相对较短照明波长(例如范围从120纳米到190纳米的真空紫外线波长)处，且还在相对较长照明波长(例如延伸到2,500纳米及超出其的红外线波长)处。因此，在折射率及吸收系数两者中大体上不同于空气的液体填充材料的选择为多目标测量分析中的经减小参数相关性提供机会。另外，根据照明波长而在折射率及吸收系数中不同的液体填充材料的选择为在光谱测量分析中的经减小参数相关性提供机会。在一些实施例中，使用填充材料(例如去离子水)通过捕获在100纳米与2,500纳米之间的广范围波长的数个不同光谱计量技术而执行测量。
示范性计量技术包含光谱椭偏术、米勒-矩阵椭偏术、光谱反射术、角度解析反射术等。
在另一方面中，在照明波长处展现荧光性的液体填充材料的选择为在基于图像的测量分析中的经减小参数相关性提供机会。在一些实施例中，填充材料的荧光性增强图像对比，且改进基于图像的测量技术(例如基于图像的重叠、基于图像的检验(例如，暗场检验及亮场检验)等)的测量性能。
在另一方面中，在计量目标(例如关键尺寸(cd)结构、光栅结构、重叠结构等)的测量期间利用毛细管冷凝法来填充所述计量目标自身的几何、结构特征之间的空间。一般来说，基于待通过气体吸附填充的最大特征大小来确定气体流动126中的汽化材料的所要饱和度。利用毛细管冷凝法来填充具有填充材料的小特征(例如，孔、小体积，例如凹口、沟槽、狭缝、接触孔等)。开尔文方程式提供最大特征大小的近似值，其可针对特定填充材料、填充材料的分压及周围温度(例如晶片温度)填充。方程式(6)说明针对具有两个不同半径r1及r2的凝缩弯月面的开尔文方程式，其中r是理想气体常数，ta是周围温度，v是填充材料的摩尔体积，γ是与填充材料相关联的表面张力常数，且p/p0是填充材料的分压。
图6描绘说明与水、甲苯及乙醇相关联的摩尔体积及表面张力的表129。
针对圆柱形孔或孔特征，r1等于r2。图7描绘说明圆柱形孔或孔的最大直径的曲线172，其可通过根据方程式(6)的吸附/冷凝填充。曲线172描绘圆柱形孔的最大直径，其可针对在25摄氏度的周围温度下每一填充材料的各种分压由水(曲线175)、乙醇(曲线174)及甲苯(曲线173)填充。如图7中所描绘，当气体流动126经提供到具95％或更高的水或乙醇的分压的计量目标时，可填充具有达40纳米的直径的圆柱形孔。还如图7中所描绘，当气体流动126经提供到具95％或更高的甲苯的分压的计量目标时，可填充具有达90纳米的直径的圆柱形孔。
针对线及空间，r2是无限大。图8描绘说明长的沟槽状特征的最大直径的曲线160，其可通过根据方程式(6)的吸附填充。曲线160描绘沟槽的最大直径，其可针对在25摄氏度的周围温度下每一填充材料的各种分压由水(曲线164)、乙醇(曲线163)及甲苯(曲线162)填充。如所说明，跨长的沟槽状特征的最大直径是圆柱形孔特征的最大直径的一半。如图7及8中所描绘，水及乙醇的曲线呈现重叠，因为乙醇作为填充材料的性能是非常类似于水。
一方面，调整在周围温度ta处的汽化填充材料的饱和度，使得低于所要最大特征大小的所有特征经填充。在一些实施例中，这通过控制如前文所描述的经历汽化的净化气体的流动与不经历汽化的净化气体的流动的比率而实现。在一些实施例中，这通过控制晶片与填充材料的液池之间的温度差而实现。在一些其它实施例中，这通过控制经溶解于填充材料的液池中的不挥发溶质的浓度来实现。
薄膜的折射率的光谱测量随围绕被测量结构的环境的相对湿度而改变。折射率的经估计值的改变是归因于在膜结构的孔中的不同冷凝度。在一个实例中，水使二氧化硅的膜湿润，使得经冷凝于孔中的水的表面具有负曲率(即弯月面)，其中半径r近似等于孔半径。在室温t＝298k以及近似50％的相对湿度下，具有近似2纳米及更少的半径的孔是由水填充。
图9描绘使用如参考图1所描述的光谱椭偏仪的原硅酸四乙酯(teos)膜结构的折射率的测量。曲线176描绘当所述膜在干燥环境中填充时的测量结果。曲线177描绘当所述膜测量使用近似50％的相对湿度执行时的测量结果。曲线178描绘水自身的折射率的测量结果。
经填充孔及空孔的折射率与填充材料的折射率之间的关系由方程式(7)中所说明的洛兰兹-洛兰兹方程式给出，其中vopen是未填充孔的体积，ηf是当孔经填充时的折射率，ηe是当孔是未填充时的折射率，且ηads是冷凝物材料自身的折射率。
通过应用洛兰兹-洛兰兹方程式到经测量数据来确定与具有小于2纳米的半径的所有孔(即在50％的相对湿度处由水填充的孔)相关联的孔隙度。图10描绘经估计体积孔隙度百分比随着基于图9中所说明的测量确定的波长而变的曲线179。如图10中所描绘，teos膜展现针对具有小于2纳米的半径的孔的近似3％的体积孔隙度百分比。
在一些实例中，以类似方式，基于在数个不同相对湿度(即分压p/p0条件)处折射率的测量来确定孔大小分布。
在另一方面中，在周围温度下在汽化填充材料的不同饱和度处执行孔隙度及关键尺寸测量，使得低于某一范围的最大特征大小的所有特征被填充。使所述测量组合于基于多目标模型的测量中，以使用经减小参数相关性及经改进测量性能来估计孔隙度及一或多个关键尺寸的值。
图11描绘具有近似60纳米的关键尺寸cd的被测量结构180。结构180包含数个层181到188。层185是多孔层，且具有近似150纳米的高度h及侧壁角swa。因为层185是多孔的，所以其折射率在如上文所描述的测量期间随围绕结构的填充材料的分压而改变。
图13描绘使用光谱椭偏仪(例如参考图1所描述的se系统)的结构180的侧壁角的测量的时间序列。在第一时间周期a中，在被测量结构180周围供应干燥净化气体。在下一时间周期b中，移除所述干燥净化气体，且湿空气围绕被测量结构180。在下一时间周期c中，再次在被测量结构180周围供应所述干燥净化气体。使用固定折射率值来执行图13中所说明的基于模型的测量结果。然而，层185的折射率在测量期间随围绕结构180的填充材料(即水)的分压而改变。当所述折射率的值在所述基于模型的测量中固定时，侧壁角的测量受影响。如图13中所说明，侧壁角的经测量值随围绕多孔层185的湿度条件而改变，即使事实上所述侧壁角是固定的。经估计值中的此改变发生，因为cd/形状计算是多参数回归，且任何特定层的折射率的改变导致所有层的值的改变。
在一些实施例中，使多孔层185的折射率浮动(即经处理为待求解的未知值)且在填充材料的数个不同分压处执行测量。多参数回归经执行以解析多孔层185的侧壁角及折射率两者。所述折射率是通过洛兰兹-洛兰兹方程式而与孔隙度有关。当使此关系并入到所述测量模型中时，所述测量模型的多参数回归解析了层185的侧壁角及孔隙度。
图12描绘与针对在具50％相对湿度(即0.5的水的分压)的环境中的不同孔隙度水平随着波长而变的层185的折射率相关联的曲线189到193。曲线189描绘无孔隙度的一层的折射率，曲线190描绘具1％体积孔隙度的一层的折射率，曲线191描绘具3％体积孔隙度的一层的折射率，曲线192描绘具5％体积孔隙度的一层的折射率，且曲线193描绘具10％体积孔隙度的一层的折射率。
为说明目的，使用层185的折射率的三个不同固定值使用在时间周期b期间收集的数据来重新计算侧壁角的估计。基于匹配曲线189的假设折射率而确定经估计值196。基于匹配曲线190(即1％孔隙度)的假设折射率而确定经估计值195。基于匹配曲线191(即3％孔隙度)的假设折射率而确定经估计值194。如图13中所描述，近似2％的孔隙度的估计解释干燥净化气体与具50％相对湿度的空气之间的测量改变。以此方式，基于相同测量数据而估计cd/形状参数及孔隙度。
一般来说，测量位点包含由测量系统(例如图1中所描绘的计量系统100)测量的一或多个计量目标。一般来说，可跨整个晶片或晶片面积的子集而执行测量数据收集。另外，在一些实施例中，所述计量目标经设计用于对在过程参数、受关注的结构参数或两者中的改变的印刷适性及敏感性。在一些实例中，所述计量目标是专业目标。在一些实施例中，所述计量目标是基于常规线/空间目标。通过非限制性实例，可采用cd目标、scol目标或可从加利福尼亚(美国)苗比达的科磊公司(kla-tencorcorporation,milpitas,california(usa))购得的aimtm目标。在一些其它实施例中，所述计量目标是装置状结构。在一些其它实例中，所述计量目标是装置结构或装置结构的部分。不管所采用的计量目标的类型如何，使用通过如本文中所描述的毛细管冷凝法的形状填充来测量正开发的展示对过程变化、结构变化或两者的敏感性的计量目标集。
另一方面，当cd结构经填充(即经历如本文中所描述的气体吸附)时以及当其不经填充(即不经历气体吸附)时，从cd结构收集测量数据。使所收集数据组合于基于多目标模型的测量中以改进测量性能。
由计算系统130接收所述经收集数据。计算系统130执行利用具多目标模型的两个测量数据集的基于模型的测量分析以估计受关注参数的值。在一些实例中，本文中所描述的多目标模型脱机实施，例如由实施可从美国加利福尼亚苗比达的科磊公司购得的
另一方面，执行一系列测量，使得当使用不同填充材料或不同填充材料的组合来填充计量目标结构时从计量目标结构收集每一测量数据集。使所述经收集数据组合于基于多目标模型的测量中以减小参数相关性且改进测量性能。
另一方面，当所述吸附过程已达到稳定状态时从经历吸附的计量目标收集测量数据。换句话说，通过所述吸附过程提供的填充量已达到稳定状态。
另一方面，在所述吸附过程已达到稳定状态之前从经历吸附的计量目标收集测量数据。换句话说，通过所述吸附过程提供的所述填充量在测量时间期间改变。
图14说明用于执行经历气体吸附的结构的孔隙度测量的方法200。方法200适用于由计量系统(例如本发明的图1中所说明的计量系统100)实施。一方面，应意识到，可经由由计算系统130或任何其它通用计算系统的一或多个处理器执行的预编程算法执行方法200的数据处理框。本文中应意识到，计量系统100的特定结构方面不表示限制且应仅解译为阐释性。
在框201中，通过照明系统将第一量的照明光提供到安置于样品上的一或多个结构元件。
在框202中，在一或多个结构元件的所述照明期间提供包含呈蒸汽相的第一填充材料的第一气体流动到所述一或多个结构元件。使所述填充材料的一部分呈液相而冷凝到所述一或多个结构元件上，其填充所述一或多个结构元件的一或多个几何、结构特征之间的空间的至少一部分。
在框203中，响应于所述第一量的照明光而从所述一或多个结构元件检测第一量的经收集光。
在框204中，例如由所述检测器产生指示所述第一量的经收集光的第一测量信号集。
在框205中，至少部分基于所述第一测量信号集及测量模型而估计指示所述一或多个结构元件的孔隙度的值。
在图1中所描绘的实施例中，执行经历具有不同量的液体填充材料的气体流动的计量目标的光谱椭偏术测量。然而，一般来说，可采用任何合适基于模型的计量技术来根据本文中所描述的方法及系统执行经历具有不同量的液体填充材料的气体流动的计量目标的测量。
合适基于模型的计量技术包含(但不限于)光谱椭偏术及光谱反射术，包含单一波长、多个波长及角度解析实施方案，可单独或以任何组合想到光谱散射术、散射重叠、射束分布反射术及射束分布椭偏术，包含角度解析及偏振解析实施方案。
一般来说，前述测量技术可应用于过程参数、结构参数、布局参数、分散度参数或其任何组合的测量。通过非限制性实例，可使用前述技术测量重叠、分布几何参数(例如关键尺寸、高度、侧壁角)、过程参数(例如光刻聚焦及光刻剂量)、分散度参数、布局参数(例如间距游动(pitchwalk)、边缘放置误差)、膜厚度、组合物参数或参数的任何组合。
通过非限制性实例，使用形状填充测量的所述结构包含线-空间光栅结构、finfet结构、sram装置结构、快闪存储器结构及dram存储器结构。
在另一方面中，经定位于晶片上的计量目标是设计规则目标。换句话说，所述计量目标坚持可适用于基础半导体制造过程的设计规则。在一些实例中，所述计量目标优选地定位于作用裸片区域内。在一些实例中，所述计量目标具有15微米×15微米或更小的尺寸。在一些其它实例中，所述计量目标经定位于切割道中或以其它方式在所述作用裸片区域外侧。
在一些实例中，使用形状填充来执行基于模型的测量以估计一个受关注的参数。因此，独立地优化与所述受关注参数相关联的测量模型。通过个别地测量每一受关注参数，计算压力经减小，且基础测量的性能可通过选择经优化用于每一个别参数的不同波长、测量子系统及测量方法而最大化。另外，不同的基于模型的测量解算器可经选择或不同地配置以用于每一受关注参数。
然而，在一些其它实例中，使用形状填充来执行基于模型的测量以并行估计多个受关注参数。因此，开发测量模型以解决多个受关注参数。
在一些实例中，在特定测量位点处执行的受关注参数的测量依赖于仅从所述特定测量位点收集的数据，即使数据可从所述晶片上的多个位点收集。在一些其它实例中，从跨所述晶片或所述晶片的子集的多个位点收集的测量数据用于测量分析。这可期望跨所述晶片捕获参数变化。
在一些实例中，基于具有包含单一目标技术、多目标技术及光谱前馈技术的多个不同测量技术的经填充计量目标来执行受关注参数的测量。可通过侧馈分析、前馈分析及平行分析的任何组合而改进经测量参数的准确度。侧馈分析指代在相同样品的不同区域上获取多个数据集且将从第一数据集确定的共同参数传递到第二数据集上用于分析。前馈分析指代在不同样品上获取数据集且使用逐步复制精确参数前馈方法将共同参数正向传递到后续分析。平行分析指代将非线性拟合方法平行或同时应用到多个数据集，其中在拟合期间耦合至少一个共同参数。
多工具及结构分析指代基于回归、查找表(即，“库”匹配)或多个数据集的另一拟合过程的前馈、侧馈或平行分析。在2009年1月13日颁予科磊公司的第7,478,019号美国专利案中描述用于多工具及结构分析的示范性方法及系统，所述专利案的全文以引用的方式并入本文中。
另一方面，如本文中所述而获得的测量结果可用来将主动反馈提供给过程工具(例如，光刻工具、蚀刻工具、沉积工具等)。举例来说，使用本文中所述的方法及系统确定的关键尺寸的值可传送到光刻工具以调整光刻系统以实现所要输出。以类似方式，蚀刻参数(例如，蚀刻时间、扩散率等)或沉积参数(例如，时间、浓度等)可包含于测量模型中以将主动反馈分别提供给蚀刻工具或沉积工具。在一些实例中，基于所测量装置参数值而确定的对过程参数的校正可经传送到光刻工具、蚀刻工具或沉积工具。
应认识到，可由单一计算机系统130、多个计算机系统130或多个不同计算机系统130实行贯穿本发明描述的各种步骤。此外，所述系统100的不同子系统(例如光谱椭偏仪101)可包含适用于实行本文所述步骤的至少一部分的计算机系统。因此，不应将前述描述解译为对本发明的限制，而仅为阐释。此外，计算系统130可经配置以执行本文中描述的任何方法实施例的任何其它步骤。
计算系统130可包含(但不限于)个人计算机系统、主计算机系统、工作站、图像计算机、并行处理器或所属领域中已知的任何其它装置。一般来说，术语“计算系统”可广泛地定义为涵盖具有执行来自存储器媒体的指令的一或多个处理器的任何装置或装置的组合。一般来说，计算系统130可与测量系统(例如测量系统100)集成，或替代地可整体或部分与任何测量系统分离。就此意义来说，计算系统130可远程定位且接收来自任何测量源的测量数据且将命令信号传输到计量系统100的任何元件。
可经由例如导线、电缆或无线传输链路的传输媒体传输实施例如本文中描述的方法的方法的程序指令134。存储程序指令134的存储器132可包含计算机可读媒体，例如只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘或磁带。
另外，计算系统130可以本技术中已知的任何方式通信地耦合到光谱仪104或椭偏仪101的照明器子系统102。
计算系统130可经配置以由可包含有线及/或无线部分的传输媒体而接收及/或获取来自系统(例如光谱仪104、照明器102、蒸汽注入系统120及类似者)的子系统的数据或信息。以此方式，传输媒体可用作计算机系统130与系统100的其它子系统之间的数据链路。此外，计算系统130可经配置以经由存储媒体(即存储器)接收测量数据。举例来说，使用椭偏仪101的光谱仪获得的光谱结果可存储于永久或半永久存储器装置(未展示)中。就此来说，可从外部系统导入光谱结果。此外，计算机系统130可经由传输媒体接收来自外部系统的数据。
计算系统130可经配置以通过可包含有线部分及/或无线部分的传输媒体传输数据或信息到所述系统的子系统(例如，光谱仪104、照明器102、蒸汽注入系统120及类似者)。以此方式，传输媒体可用作计算机系统130与系统100的其它子系统之间的数据链路。此外，计算系统130可经配置以经由存储媒体(即存储器)来传输命令信号及测量结果。举例来说，通过光谱数据的分析而获得的测量结果115可存储于永久或半永久存储器装置(未展示)中。就此来说，可将光谱结果导出到外部系统。此外，计算机系统130可经由传输媒体发送数据到外部系统。另外，受关注参数的经确定值存储于存储器中。举例来说，所述值可存储在测量系统100上(例如，存储器132中)或可(例如经由输出信号115)传送到外部存储器装置。
如本文中描述，术语“毛细管冷凝法”包含用于通过汽化填充材料的冷凝(包含气体吸附或孔冷凝)的多孔结构的填充的任何物理过程。就此意义来说，术语“毛细管冷凝法”、“孔冷凝法”及“吸附”可互换地使用且针对此专利文献的目的描述相同物理过程。
如本文中描述，术语“关键尺寸”包含结构的任何关键尺寸(例如，底部关键尺寸、中间关键尺寸、顶部关键尺寸、侧壁角、光栅高度等)、任何两个或更多个结构之间的关键尺寸(例如，两个结构之间的距离)及两个或更多个结构之间的位移(例如，重叠光栅结构之间的重叠位移等)。结构可包含三维结构、图案化结构、重叠结构等等。
如本文中描述，术语“关键尺寸应用”或“关键尺寸测量应用”包含任何关键尺寸测量。
如本文中所述，术语“计量系统”包含至少部分用来在任何方面中特性化样品的任何系统，包含测量应用，例如关键尺寸计量、重叠计量、焦点/剂量计量及组合物计量。然而，此类技术术语不限制如本文中描述的术语“计量系统”的范围。此外，计量系统100可经配置以测量图案化晶片及/或未图案化晶片。所述计量系统可配置为检验工具，例如led检验工具、边缘检验工具、背侧检验工具、宏检验工具或多模式检验工具(同时涉及来自一或多个平台的数据)及受益于基于关键尺寸数据的系统参数校准的任何其它计量或检验工具。为本专利文献的目的，术语“计量”系统及“检验”系统是同义的。
本文中针对可用于处理样品的半导体处理系统(例如，检验系统或光刻系统)描述各个实施例。术语“样品”在本文中用以指代晶片、光罩或可通过所属领域中已知的构件处理(例如，印刷或检验缺陷)的任何其它样本。
如本文中使用，术语“晶片”大体上指代由半导体或非半导体材料形成的衬底。实例包含(但不限于)：单晶硅、砷化镓及磷化铟。此类衬底通常可在半导体制造设备中找到及/或处理。在一些情况下，晶片可仅包含衬底(即裸晶片)。替代地，晶片可包含形成于衬底上的一或多个不同材料层。形成于晶片上的一或多个层可“经图案化”或“未经图案化”。举例来说，晶片可包含具有可重复图案特征的多个裸片。
“光罩”可为处于光罩制造过程的任何阶段的光罩，或为可能或可能未经释放以于半导体制造设施中使用的完成光罩。光罩或“掩模”大体上定义为具有形成于其上且以图案配置的大体上不透明区域的大体上透明衬底。衬底可包含(例如)玻璃材料，例如非晶sio2。可在光刻过程的曝光步骤期间将光罩安置于覆盖有光阻剂的晶片上方，使得可将光罩上的图案转印到光阻剂。
形成于晶片上的一或多层可经图案化或未经图案化。举例来说，晶片可包含各自具有可重复图案特征的多个裸片。此类材料层的形成及处理最终可导致完成装置。许多不同类型的装置可形成于晶片上，且如本文中使用的术语晶片希望涵盖其上制造所属领域中已知的任何类型的装置的晶片。
在一或多个示范性实施例中，所描述的功能可实施于硬件、软件、固件或其任何组合中。如果以软件实施，那么功能可作为一或多个指令或代码存储于计算机可读媒体上或通过计算机可读媒体传输。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及通信媒体两者，包含促进计算机程序从一个位置到另一位置的传送的任何媒体。存储媒体可为可通过通用计算机或专用计算机存取的任何可用媒体。通过实例(且非限制)，此计算机可读媒体可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置或可用于载送或存储呈指令或数据结构的形式的所要程序代码构件且可通过通用计算机或专用计算机或通用或专用处理器存取的任何其它媒体。此外，任何连接被适当地称为计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(dsl)或无线技术(例如红外线、无线电及微波)从网站、服务器或其它远程源传输软件，那么同轴电缆、光纤电缆、双绞线、dsl或无线技术(例如红外线、无线电及微波)包含于媒体的定义中。如本文中使用，磁盘及光盘包含压缩光盘(cd)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(dvd)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地重现数据而光盘用激光光学地重现数据。上述元件的组合也应包含于计算机可读媒体的范围内。
尽管上文为指导目的而描述某些特定实施例，但本专利文献的教示具有一般适用性且不限于上文中描述的特定实施例。因此，在不脱离如权利要求书中阐述的本发明的范围的情况下，可实践所描述的实施例的各种特征的各种修改、调适及组合。
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