CN104838251A - 用于具有优化系统参数的光学计量的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明呈现用于实现跨越计量系统参数的集合的小测量盒大小规格的方法及系统。在测量期间通过选择性约束所述系统参数集合中的一或多者实现所述小测量盒大小规格。测量系统参数(例如照明波长、偏振状态、入射极角及入射方位角)的子集经选择用于测量以维持相对于在所述测量中利用完全、可用范围的测量系统参数原本可实现的较小测量盒大小。以此方式，通过约束测量系统参数空间实现影响测量盒大小的一或多个因素的控制。此外，测量信号的子集可经选择以维持相对于在所述测量中利用所有可用测量信号原本可实现的较小测量盒大小。

Description

用于具有优化系统参数的光学计量的设备及方法

对相关申请案的交叉参考

本专利申请案根据35U.S.C.§119规定主张2012年11月9日申请的名为“具有优化系统参数以实现小测量盒能力的光学计量的设备和方法(Apparatus and Method forOptical Metrology with Optimized System Parameters to Achieve Small Measurement BoxCapability)”的第61/724,722号美国临时专利申请案的优先权，所述案的标的物是以引用的方式并入本文中。

技术领域

所描述的实施例涉及计量系统及方法，且更特定地说涉及用于具有较小测量盒大小的经改善测量分辨率的方法及系统。

背景技术

半导体装置(例如逻辑及存储器装置)通常通过应用于样本的一系列处理步骤制造。通过这些处理步骤形成半导体装置的各种特征及多个结构层级。例如，除了其它以外，光刻术是涉及在半导体晶片上产生图案的半导体制造工艺。半导体制造工艺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。可在单个半导体晶片上制造多个半导体装置且接着将所述多个半导体装置分为个别半导体装置。

执行如上文所描述的光刻过程以选择性移除上覆晶片的表面的光致抗蚀剂材料的部分，借此暴露在其上形成光致抗蚀剂以用于选择性处理(例如蚀刻、材料沉积、植入等)的样本的下伏区域。因此，在许多实例中，光刻术过程的性能大部分确定形成于样本上的结构的特性(例如，尺寸)。因此，光刻术的趋势是设计能够形成具有越来越小尺寸的图案的系统及组件(例如，光致抗蚀剂材料)。

在半导体制造工艺期间的各个步骤处使用基于光学计量的检验过程以检测晶片上的缺陷以促进较高产率。光学计量技术为高产量提供可能性，且没有样品破坏的风险。已描述多种基于光学计量的技术，包含散射计量实施方案及相关分析算法，以特征化装置几何形状。然而，维持小测量盒大小仍然是一项挑战。在可用于计量目标的区域是最小限度的半导体线内产品计量中，小测量盒大小特别重要。测量盒大小是指测量结果稳定且不受光学计量中的边缘效应(例如，归因于光学衍射翼)影响的样本上的最小区域。因此，测量盒大小越小，计量目标的所需区域越小。

一些现有方法只集中于光学设计上。如果不能以可用光学设计实现测量盒大小规格，那么接受较大盒大小。此对于一些计量应用是可接受的。然而，在半导体产业中，在分配到计量目标的晶片空间有限(通常，在切割道内或甚至在裸片内)的情况下，所需盒大小规格通常可极具挑战，例如30μm×30μm或10μm×10μm或类似者。

为了克服这些挑战，必须控制衍射、像差及其它限制效应。在一个实例中，通过1997年3月4日颁于KLA-Tencor Corporation的名为“聚焦光束分光镜椭圆光束方法和系统(Focused beam spectroscopic ellipsometry method and system)”的第5,608,526号美国专利(其内容以引用方式并入本文中，如完全在本文中阐述)描述通过减少通常与折射元件的使用相关的色差而允许在计量目标上具有较小点大小的折射光学椭偏仪。在另一实例中，1999年1月12日颁于KLA-Tencor Corporation名为“用于在光学测量和其它应用中减小点大小的切趾滤波器系统(Apodizing filter system useful for reducing spot size inoptical measurements and other applications)”的第5,859,424号美国专利(其内容以引用方式并入本文，如完全在本文中阐述)描述采用切趾元件的计量工具。切趾器提供平稳变化空间滤波器以减少样品上照明点中的衍射尾巴。

一般来说，通常期望计量系统配置有多个入射角及若干波长带以试图实现小测量点大小。例如，2002年8月6日颁于KLA-Tencor Corporation名为“同时多个入射角测量的临界尺寸分析(Critical dimension analysis with simultaneous multiple angle of incidencemeasurements)”的第6,429,943号美国专利(其内容以引用方式并入本文中，如完全在本文中阐述)描述具有多个入射角的计量系统。在另一实例中，2006年6月13日颁于KLA-Tencor Corporation名为“具有单独优化光束路径的测量系统(Measurement systemwith separate optimized beam paths)”的第7,061,614号美国专利(其内容以引用方式并入本文中，如完全在本文中阐述)描述具有若干波长带的计量系统。然而，在一些实例中，例如，在希望在倾斜、近布鲁斯特入射角(AOI)处执行测量的组合物测量中，几何缩放效应引起在大AOI处的测量盒大小的非所需增大。

不管为控制测量盒大小而设计的现有方法，在完全测量范围内实现小测量盒大小规格是极具挑战的。在大倾斜入射角(AOI)(其中入射光束覆盖较大区域)与在较长波长(其中衍射效应引入显著限制)两者中尤其如此。

随着光刻及检验系统贴近更高分辨率，测量盒大小变为维持装置产率的限制因素。因此，希望实现与多种计量技术相关的小测量盒大小的经改善方法及系统。

发明内容

呈现用于以跨越所有系统参数集合的小测量盒大小规格满足计量目标的方法及系统。当与多个系统参数集合中的每一者的完全范围相关的数据的使用导致测量盒大小的非所需增大时，在测量期间通过选择性约束一或多个系统参数集合实现小测量盒大小规格。

在一个方面中，测量系统参数(例如，照明波长、偏振状态、入射极角及入射方位角)的子集经选择用于测量以维持相对于在测量中利用完全、可用范围的测量系统参数原本可实现的较小测量盒大小。以此方式，通过约束测量系统参数空间实现影响测量盒大小的一或多个因素的控制。

在一个进一步方面中，测量信号的子集经选择与测量参数的子集结合以维持相对于在测量中利用所有可用测量信号原本可实现的较小测量盒大小。

在一些实例中，识别可用计量系统参数的多维空间。多维空间包含以下任何两者或两者以上：1)入射极角的范围，2)入射方位角的范围，3)偏振状态的范围及4)照明波长的范围。计量系统参数的约束集合经选择以实现相对于利用计量系统参数的可用空间原本可实现的较小测量盒大小。计量系统参数的约束集合包含以下任何两者或两者以上中的任一者的可用范围的子集：1)入射极角的范围，2)入射方位角的范围，3)偏振状态的范围及4)照明波长的范围。在一些实例中，较小测量盒在任何方向小于三十微米。在一些实例中，较小测量盒在任何方向小于十微米。接收指示样本对根据计量系统参数的约束集合执行的测量的响应的输出信号。至少部分基于所接收输出信号确定样本的结构参数的估计。

在一个实例中，多AOI光谱椭偏计量(或反射计量)工具可在不同AOI处使用不同波长分析窗实现小计量盒大小。此方案可达到在较小AOI处的较长波长及在较大AOI处的较短波长两者。以此方式，满足薄膜及临界尺寸两者的光学计量的这些经常不兼容的要求。

在一些实例中，照明系统用照明光照明样本。照明系统可操作以产生具有入射极角的范围、入射方位角的范围、偏振状态的范围及照明波长的范围中的任何两者或两者以上的可用照明光。将可用照明光约束到入射极角的范围、入射方位角的范围、偏振状态的范围及照明波长的范围中的两者或两者以上中的任一者的子集，以实现相对于利用可用照明光原本实现的较小测量盒大小。在一些实例中，较小测量盒大小在任何方向上小于三十微米。在一些实例中，较小测量盒大小在任何方向上小于十微米。

在一些实例中，通过将递送到样本的表面的照明光物理地限制到照明系统参数的所需子集(例如，通过滤波等)来约束照明光。在一些其它实例中，通过将经散射光的收集限制到与照明系统参数的所需子集相关的光来约束照明光。在一些其它实例中，通过只选择用于测量分析的与照明系统参数的所需子集相关的输出信号的部分来约束照明光。

在许多实例中，确定系统参数值范围的约束集合以使用多个入射角实现计量架构的小计量盒大小。这些包含但不限于以其标准或穆勒矩阵(MMSE)实施方案的多AOI光谱椭偏计量(SE)、多AOI光谱反射计量、光束轮廓反射计量(BPR)或光束轮廓椭偏计量(BPE)，其中BPR或BPE技术用于一维或二维角解析实施方案中。

确定系统参数值范围的约束集合以实现小计量盒大小对CD及薄膜组合物计量两者是有用的。然而，这些应用并无限制，本文所描述的方法在覆盖计量应用、焦点及用量监视应用、蚀刻监视应用等中也是有用的。

确定系统参数值范围的约束集合以实现小计量盒大小可实施为计量工具的部分或制造工艺及/或制造工艺工具的部分。制造工艺工具的实例包含但不限于光刻暴露工具、膜沉积工具、植入工具及蚀刻工具。以此方式，使用从系统参数值范围的约束集合导出以实现小计量盒大小的测量结果来控制制造工艺。在一个实例中，光刻术工具使用根据本文所描述的方法从一或多个目标收集的测量数据来控制焦点及用量。在另一实例中，蚀刻工具使用根据本文所描述的方法从一或多个目标收集的测量数据来控制蚀刻工艺参数，例如蚀刻时间。

前述内容是概述，且因此必然含有细节的简化、概括及省略；因此，所属领域技术人员将明白所述概述只是说明性的且不以任何方式进行限制。本文所描述的装置及/或过程的其它方面、发明特征及优势将在本文阐述的非限制性详细描述中变明白。

附图说明

图1是说明具有重复装置结构的计量目标的反射计测量结果的绘图10。

图2说明照明点的示范性强度分布的绘图20。

图3是说明与目标33互动的入射光束31的图式。

图4说明用于测量小测量盒大小内的样本的特性的计量工具100。

图5说明流程图，所述流程图说明确定计量系统参数的约束集合以实现相对于利用计量系统参数的可用空间原本可实现的较小测量盒大小的方法200。

图6A是说明作为在可用照明波长的完全范围内执行的测量的结果的测量盒大小的增大(尤其在较大AOI处)的表格30。

图6B是说明作为针对不同入射角在可用照明波长的经约束范围内执行的测量的结果的测量盒大小的表格40。

图7是说明将一定量的可用照明光约束到照明系统参数的子集以实现相对于利用可用照明光原本可实现的较小测量盒大小的方法300的流程图。

具体实施方式

现在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。

现代、复杂光学计量系统通过多个系统参数集合(例如入射极角(AOI)的范围、入射方位角的范围、照明波长的范围、偏振状态的范围、衍射阶的范围等)特征化。

传统上，在这些多个系统参数集合中的每一者的完全范围内收集测量数据以最大化可用于分析的测量数据的量以满足半导体装置计量挑战。然而，此数据收集及分析的方法通常导致测量盒大小的非所需增大。

发明人意外地发现在许多情形中可跨越所有系统参数集合保持测量盒大小规格，同时通过在测量期间选择性约束一或多个系统参数集合而满足计量目的。虽然通过选择性约束一或多个系统参数集合减少可用于分析的测量数据的量似乎是反直观的，但是在许多情形中，使用减小的数据集合以较小测量盒大小实现计量目的。以此方式，可在不必扩张计量盒的大小的情况下实现(例如，达到UV、可见及IR波长、达到倾斜AOI等)计量目的。通过启用较小测量盒，在许多应用中可减小计量目标大小，因此保持有价值的晶片区域。在一些实例中，较小计量目标可位于切割道内、装置区域内或裸片内。

例如，图1说明为计量工具特征化测量盒大小规格的一种方式。图1是说明计量目标的反射计测量结果的绘图10，所述计量目标具有带有已知50微米×50微米经图案化区域的重复装置结构。跨越目标扫描照明点大小。在所提供实例中，通过识别最适合所测量光谱反射计信号的目标参数集合来测量特征化目标的临界尺寸(CD)。期望CD变化保持在此测试目标内的指定范围内。因此，假定照明光束与目标区域的边缘的非所需互动发生在当测量结果移到此范围之外时。在所说明实例中，测量在约38微米的线性扫描上是稳定的。因此，与通过反射计沿着扫描方向(例如，x方向)对目标的测量相关的测量盒大小是12微米(即，在x方向的目标长度50微米与经可靠测量的沿着x方向的目标长度的部分38微米之间的差)。换句话来说，归因于照明光束与目标区域的边缘的互动，具有小于12微米的经图案化区域的计量目标沿着扫描方向的测量将不会产生有用结果。因此，在此实例中的最小测量盒大小在x方向是12微米。注意，沿着正交方向(例如，y方向)的测量盒大小可为不同的且可取决于照明光束性质及目标性质两者。注意，还可预期通过非限制性实例将反射计的使用提供为其它计量仪器(例如，椭偏仪等)。此外，目标边缘对基于临界尺寸测量的目标的测量的影响的特征化也是通过非限制性实例提供。还可预期其它度量(例如，拟合优度、χ²等)。

在一个方面中，测量系统参数(例如照明波长、偏振状态、入射极角及入射方位角)的子集经选择用于测量以维持相对于在测量中利用测量系统参数的完全、可用范围原本可实现的较小测量盒大小。以此方式，通过约束测量系统参数空间实现影响测量盒大小的一或多个因素的控制。

在一个进一步方面中，测量信号的子集经选择与测量参数的子集结合以维持相对于在测量中利用所有可用测量信号原本可实现的较小测量盒大小。

在一些实例中，测量系统参数的可用范围(例如，照明光参数的范围)的约束至少部分基于对归因于几何效应、光衍射效应、像差效应及照明光与样本之间的互动中的任一者对测量盒大小的影响的分析。

若干因素影响测量盒大小。在一个实例中，几何缩放效应影响测量盒大小。虽然倾斜入射角(AOI)对于测量技术(如例如，椭偏计量)是所需的，但是倾斜入射角贡献于照明点大小的增大。照明点大小与1/cos(AOI)成比例，其中从法向于受测量表面的轴测量AOI。因此，随着AOI增加，照明光束到受检验表面上的投射增长。例如，在法向入射(AOI＝0度)处产生20μm几何点大小的照明光束在45度AOI处将产生约28微米的几何点大小，且在70度AOI处将产生约58微米的几何点大小。因此，可聚焦到较小有效点大小的较短波长照明光仍可满足较大AOI处的小测量盒大小规格，而较长波长照明光不满足较大AOI处的小测量盒大小规格。

在另一实例中，衍射效应影响测量盒大小。已知当试图将光束聚焦到小点上时，中心亮点伴随有衍射尾巴。图2说明样品的入射区域上方的照明点的示范性强度分布的绘图20。如图2中所说明，中心照明点处的强度达到峰值，但不是离开光束的中心便减小到0，归因于衍射效应，强度远离中心成波纹，因此增加有效点大小。受衍射限制的有效点大小随着照明光的波长而缩放。因此，较短波长照明光可聚焦到较小有效点大小。

在又另一实例中，光学像差效应影响测量盒大小。光学像差效应的影响也取决于照明波长。因此，可使用照明光的波长的特定子集的选择以减轻光学像差对测量盒大小的影响。此外，还通过光学设计的细节定义光学像差。因此，照明光的波长的特定子集的选择以减小光学像差的影响还取决于特定光学设计。因此，特定系统中的光学像差可在波长的某个范围内较好地补偿，且在另一范围内较少地补偿。

在又另一实例中，照明光与目标结构自身之间的互动影响有效测量盒大小。对有效测量盒大小的通常忽视的限制是归因于入射光束与样品的互动。例如，如图3中所说明，入射光束31与目标33(例如，通常在CD计量中使用的光栅目标)互动。互动可激发结构的特征模式(例如波导模式、表面等离子极化子)，或导致将有效互动区域延伸越过照明点大小的与目标的其它类型的谐振或非谐振互动。如图3中示意性说明，此将导致计量工具的收集侧检测到来自比所照明点大小大的区域的出射光束32。当忽视与样品的互动影响时(即，假定全反射镜表面)，相比于理想情况，此增加测量盒大小。基于特定目标结构，入射角、方位角、偏振状态及照明波长的特定范围可经选择以最小化归因于照明光与目标结构之间的互动的测量盒大小的增大。

在一方面中，测量方案经确定以通过选择照明光参数(例如波长、偏振状态、入射角及方位角)的子集实现小盒测量。在一些实例中，方案至少部分基于对归因于几何效应、光衍射效应、像差效应及照明光与样本之间的互动中的任一者对测量盒大小的影响的分析。以此方式，测量可在小测量盒大小内执行，同时克服由几何效应、光衍射效应、像差效应及照明光与目标之间的互动中的任一者所引起的限制。

图4说明用于在小测量盒大小内测量样本的特性的计量工具100。通过以系统参数的可用范围的子集执行测量克服由几何效应、光衍射效应、像差效应及照明光与目标之间的互动中的任一者所引起的限制。可用系统参数包含照明波长、偏振状态、入射角及方位角。此外，在进一步方面，测量信号的子集经选择与测量参数的子集组合以维持相对于在测量中利用所有可用测量信号原本将可实现的较小测量盒大小。例如，不同测量信号(例如，来自椭偏测量的α及β信号)可展现对测量盒大小的不同敏感度。因此，可用测量信号的子集可经选择以满足所需测量盒大小规格。

在图4中所描绘的实施例中，计算系统130经配置以实施本文所描述方法中的任一者。如图4中所示，系统100可用以在安置于样本定位系统125上的样本101的测量盒区域102上方执行光学散射测量。在一些实施例中，测量盒大小在任何方向是三十微米或更小。在一些实施例中，测量盒大小在任何方向是十微米或更小。

一般来说且如图4中所描绘，计量工具100包含光学照明系统120及光学检测器123。光学照明系统120包含光学照明源121及经配置以塑形及引导来自光学照明源121的入射光学照明光束127到样本101的测量盒102的光学照明光学部件122。通过非限制性实例，光学照明源121包含一或多个弧光灯、激光器、发光二极管、激光驱动等离子源及激光驱动超连续源或其任何组合。一般来说，可预期任何合适光学照明源。在一些实施例中，光学照明源121经配置以产生具有在100纳米与2000纳米之间的波长分量的照明光。

照明光学部件122经配置以准直或聚焦入射光学照明光束127到样本101的测量盒102。在一些实例中，照明光学部件122经配置以单色化入射光学照明光束127。在一些实施例中，照明光学部件122包含一或多个光学镜、聚焦或散焦光学部件、光学波板、光学孔隙、光学单色仪及光学光束光阑或其任何组合。

光学检测器123收集从样本101散射的光学辐射128，且产生指示对入射光学辐射敏感的样本101的性质的输出信号124。在一些实施例中，通过光学检测器123收集经散射光学辐射128，同时样本定位系统125定位及定向样本101以产生经角解析的经散射光学辐射。光学检测器123能够解析一或多个光学光子能且产生指示样本的性质的每一光学能量组件的信号。在一些实施例中，光学检测器123是CCD阵列、光电二极管阵列、CMOS检测器及光电倍增管中的任一者。

计量工具100还包含用以获取通过光学检测器123产生的信号124及至少部分基于所获取信号确定样本的性质的计算系统130。如图4中所说明，计算系统130通信地耦合到光学检测器123。在一个方面中，计算系统130接收与在系统参数的可用范围的子集内实现小测量盒大小的测量相关的测量数据124。可用系统参数包含照明波长、偏振状态、入射角及方位角。

在一个实例中，光学检测器123是光学光谱仪，且测量数据124包含基于通过光学光谱仪实施的一或多个取样过程的样本的所测量光谱响应的指示。

在进一步实施例中，计算系统130经配置以实时存取模型参数，从而使用实时临界尺寸确定(RTCD)，或其可存取经预计算模型的库用于确定与样本101相关的至少一个样本参数值的值。一般来说，可使用CD引擎的某一形式以评价样本的经指派CD参数与经测量样本相关的CD参数之间的差异。2010年11月2日颁于KLA-Tencor Corp.的第7,826,071号美国专利中描述用于计算样本参数值的示范性方法及系统，所述案的全文以引用方式并入本文中。一般来说，可通过计算系统130应用不但与CD而且与薄膜及组合物测量相关的测量模型以解析样本参数值。

如图4中所说明，计量工具100包含经配置以在照明光束127下方移动样本101的样本定位系统125。计算系统130将指示样本101的所需位置的命令信号传递到样本定位系统125的运动控制器114。作为响应，运动控制器125产生命令信号到样本定位系统125的各种致动器，以实现样本101的所需定位。

在图4中所描绘的实施例中，样本定位系统125包含晶片卡盘108、运动控制器114、旋转置物台110及平移置物台112。样本101支撑于晶片卡盘108上。通常，样本101以其几何中心与旋转置物台110的旋转轴大致对准而定位。以此方式，旋转置物台110使样本101绕其几何中心以指定角速度ω(在可接受容限内)转动。此外，平移置物台112以指定速度V_T在近似垂直于旋转置物台110的旋转轴的方向平移样本101。运动控制器114协调通过旋转置物台110的样本101的转动与通过平移置物台112的样本101的平移以实现系统100内的样本101的所需扫描运动。

应认识到，整个本发明所描述的各个步骤可通过单个计算机系统130实施或替代地通过多个计算机系统130实施。此外，系统100的不同子系统(例如样本定位系统125)可包含合适合于实施本文所描述的步骤中的至少一部分的计算机系统。因此，上述描述不应解释为对本发明的限制，而应仅仅是说明。此外，一或多个计算系统130可经配置以执行本文描述的方法实施例中的任一者的任何其它步骤。

此外，计算机系统130可以所属领域中已知的任何方式通信地耦合到光学检测器123及光学照明系统120。例如，一或多个计算系统130可耦合到与光学检测器123及光学照明系统120相关的计算系统。在另一实例中，光学检测器123及光学照明系统120中的任一者可由耦合到计算机系统130的单个计算机系统直接控制。

组合式计量系统100的计算机系统130可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的传输媒体从系统的子系统(例如，光学检测器123、光学照明系统120等)接收及/或获取数据或信息。以此方式，传输媒体可充当计算机系统130与系统100的其它子系统之间的数据链路。

计量系统100的计算机系统130可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的传输媒体从其它系统接收及/或获取数据或信息(例如，测量结果、模型化输入、模型化结果等)。以此方式，传输媒体可充当计算机系统130与其它系统(例如，机载存储器计量系统100、外部存储器或外部系统)之间的数据链路。例如，计算系统130可经配置以经由数据链路从存储媒体(即，存储器132或外部存储器)接收测量数据(例如，信号124)。例如，使用光学检测器123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(例如，存储器132或外部存储器)中。在这方面，可从机载存储器或从外部存储器系统导入光谱结果。此外，计算机系统130可经由传输媒体发送数据到其它系统。例如，通过计算机系统130或另一计算系统确定的经约束测量参数范围可存储于永久或半永久存储器装置(例如，存储器132或外部存储器)中。在这方面，可将结果导出到另一系统。

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”可宽泛地定义为包含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。

实施方法(例如，本文所描述的方法)的程序指令134可通过传输媒体(例如导线、电缆或无线传输链路)传输。例如，如图4中所说明，存储器132中存储的程序指令是通过总线133传输到处理器131。程序指令134存储于计算机可读媒体(例如，存储器132)中。示范性计算机可读媒体包含只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘或磁带。

虽然根据本文所描述的方法的测量方案的开发可通过计算机系统130实现，但是也预期通过其它计算机系统(例如，计量工具100外部的计算机系统)开发测量方案。例如，预期在于生产环境中使用之前根据本文所描述的方法确定测量方案。在这些实例中，预期根据本文所描述的方法的测量方案的确定是通过一或多个外部计算机系统实现。

图5说明适合于通过计算系统(例如，图4中所说明的计算系统130)实施的方法200。在一个方面中，应认识到方法200的数据处理方框可经由通过计算系统130的一或多个处理器执行的经预编程算法实施。虽然在计量系统100的上下文中呈现方法200的以下描述，但是在本文中应认识到，计量系统100的特定结构方面不表示限制且应只解释为说明性。

在方框201中，计算系统130识别可用计量系统参数的多维空间。多维空间包含以下项中的任何两个或两个以上：1)入射极角的范围，2)入射方位角的范围，3)偏振状态的范围及4)照明波长的范围。

在方框202中，计算系统130确定计量系统参数的约束集合以实现相对于利用计量系统参数的可用空间原本可实现的较小测量盒大小。计量系统参数的约束集合包含以下项的两者或两者以上中的任一者的可用范围的子集：1)入射极角的范围；2)入射方位角的范围；3)偏振状态的范围；及4)照明波长的范围。在一些实例中，较小测量盒在任何方向小于三十微米。在一些实例中，较小测量盒在任何方向小于十微米。

在方框203中，计算系统130接收指示样本对根据计量系统参数的约束集合执行的测量的响应的多个输出信号。

在方框204中，计算系统130至少部分基于通过光学光谱仪123产生的多个输出信号确定样本101的结构参数的估计。

计算系统130可确定计量系统参数的约束集合以便以分析方式或实验方式实现所需测量盒大小。

例如，一般来说，倾斜入射角、衍射、像差及照明光与目标之间的互动的影响可以适当电磁仿真引擎来严密地计算。例如，此计算可使用有限元法执行。替代地，还可预期其它方法。以此方式，计量系统参数的约束集合的确定以实现跨越系统参数的约束集合的小测量盒大小是基于有限点照明的效应、穿过光学元件的光的传播等的模型而实现。例如，计算可识别被激发且影响盒大小的表面或波导模式。由于此类模式通常只在波长的有限范围内支持且是偏振相依的，所以计算系统130可识别且从测量方案排除计量系统参数(例如，照明波长、入射角、方位角及偏振状态的特定范围)以保持在所需测量盒大小内。此外，不同所测量信号(椭偏计量、反射计量等)以不同方式受衍射、像差、经引导波等影响。在一些实例中，计算系统130将系统参数的选择与所测量信号的选择组合以保持在所需测量盒大小内。

在另一实例中，计算系统130可确定计量系统参数的约束集合以便以实验方式实现所需测量盒大小。在一些实例中，计量方案是基于计量目标或多个目标的实验特征化。使用系统参数的可用范围及测量信号执行目标的测量。在测量是以尚未经约束以实现小测量盒大小的系统参数范围执行的意义上，这些测量是未受约束的。此外，通过非限制性实例，执行线扫描或区域扫描测量用于如参考图1所描述的盒大小分析。执行所测量数据的分析以选择系统参数的范围(即，约束系统参数的可用范围)及测量信号以满足测量盒大小规格。此目标(或多目标)特定测量方案接着用于所需测量盒内的随后测量。

如前文中所描述，通过测量盒大小目标推动测量方案的确定。可用系统参数的约束集合的选择及(任选地)信号使得能实现所述目标。图6A到6B说明可用系统参数的约束集合的选择对测量盒大小的影响。使用光谱椭偏计量(例如，图4中说明的计量工具100)的多AOI组合物或薄膜计量通常需要在近布鲁斯特AOI处的测量。由于几何缩放及衍射效应，这些系统传统上尚不能实现跨越在SE测量中使用的照明波长的范围的小测量盒大小(例如，小于四十微米)。例如，如图6A中所说明，在每一AOI(即，65度、70度及75度)处使用完全范围的可用照明波长(即，190纳米到800纳米)。在其它实例中，AOI的范围在55度与75度之间。所得测量盒大小(尤其在较大AOI处)显著增大且大大超过测量盒规格(例如，小于40微米)。然而，图6B说明通过在较小AOI(即，65度)处选择较大范围的照明波长(即，190纳米到800纳米)且在较大入射角(即，分别为70微米及75微米)处选择逐渐变小范围的照明波长(即，190纳米到647纳米及190纳米到396纳米)，测量盒大小保持在小测量盒大小(即，小于40微米)内。因此，较短(UV)波长及较长(IR)波长两者均在没有使测量盒的大小增大到越过所需规格的情况下适应。

如图6A到6B中所说明，多AOI光谱椭偏计量(或反射计量)工具可在不同AOI处使用不同波长分析窗实现小计量盒大小。此方案可达到较小AOI处的较长波长及较大AOI处的较短波长两者。以此方式，满足薄膜及临界尺寸的光学计量的这些经常不兼容的需求两者。然而，此实例并无限制，因为可预期通过选择系统参数范围的约束集合实现小计量盒大小的其它测量实例。例如，图6A到6B中所说明的SE实例解决几何及衍射限制，然而，可通过考虑像差及照明与目标的互动实现进一步方案优化。

在一些实例中，本文所描述用以实现小大小测量盒的方法可与例如通过以下项描述的现有聚焦光束椭偏仪系统结合使用：1)1997年3月4日颁于KLA-Tencor Corporation名为“聚焦光束分光镜椭圆光束方法和系统(Focused beam spectroscopic ellipsometrymethod and system)”的第5,608,526号美国专利(所述案的内容以引用的方式并入，如在本文中完全阐述)及2)1999年1月12日颁于KLA-Tencor Corporation名为“用于在光学测量和其它应用中减小点大小的切趾滤波器系统(Apodizing filter system useful forreducing spot size in optical measurements and other applications)”的第5,859,424号美国专利(所述案的内容以引用方式并入，如在本文中完全阐述)。

在许多实例中，主要焦点是确定系统参数值范围的约束集合以实现使用多个入射角的计量架构的小计量盒大小。这些包含但不限于以其标准或穆勒矩阵(MMSE)实施方案的多AOI光谱椭偏计量(SE)、多AOI光谱反射计量、光束轮廓反射计量(BPR)或光束轮廓椭偏计量(BPE)，其中BPR或BPE技术用于一维或二维角解析实施方案中。

然而，一般来说，本文中所描述的方法与所有已知光学计量工具个别地兼容，或组合为组合式测量分析的部分。通过非限制性实例，此光学计量工具包含光谱椭偏仪、光谱反射计、角解析反射计及椭偏仪、光谱散射计量、散射计量覆盖、光束轮廓反射计量、(角及偏振解析)，光束轮廓椭偏计量、单个或多离散波长椭偏计量、多入射角椭偏计量及光谱偏振计量。

图7说明适合于通过计量系统(例如，图4中所说明的计量工具100)实施的方法300。在一个方面中，认识到方法300的数据处理方框可经由通过计算系统130的一或多个处理器执行的经预编程算法实施。虽然在计量系统100的上下文中呈现方法300的以下描述，但是本文认识到计量系统100的特定结构方面并不表示限制且应只解释为说明性。

在方框301中，照明系统120用照明光照明样本。照明系统120可操作以产生具有入射极角的范围、入射方位角的范围、偏振状态的范围及照明波长的范围中的任何两者或两者以上的可用照明光。

在方框302中，计算系统130将可用照明光约束到入射极角的范围、入射方位角的范围、偏振状态的范围及照明波长的范围中的两者或两者以上中的任一者的子集以实现相对于利用可用照明光原本可实现的较小测量盒大小。在一些实例中，较小测量盒大小在任何方向小于三十微米。在一些实例中，较小测量盒大小在任何方向小于十微米。在一些实例中，计算系统130通过将命令信号137传递到照明系统120来约束可用照明光以将递送到样本101的表面的照明光物理地限制到照明系统参数的所需子集(例如，通过滤波等)。在一些其它实例中，计算系统130通过将命令信号(未展示)发送到光谱椭偏仪123来约束可用照明光以将经散射光的收集限制到与照明系统参数的所需子集相关的光。在一些其它实例中，计算系统130通过只选择与用于测量分析的照明系统参数的所需子集相关的输出信号124的部分来约束可用照明光。

在方框303中，光学光谱仪123产生指示样本对照明光的响应的多个输出信号。

在方框304中，计算系统130至少部分基于通过光学光谱仪123产生的多个输出信号确定样本101的结构参数的估计。

如前文中所讨论，确定系统参数值范围的约束集合以实现小计量盒大小对CD计量、薄膜计量及组合物计量是有用的。然而，这些应用并无限制，本文所描述的方法在覆盖计量应用、焦点及用量监视应用、蚀刻监视应用等中也是有用的。

如前文中所讨论，确定系统参数值范围的约束集合以实现小计量盒大小实施为计量工具(例如，计量工具100)的部分。然而，确定系统参数值范围的约束集合以实现小计量盒大小测量能力还可实施为制造工艺及/或制造工艺工具的部分。制造工艺工具的实例包含但不限于光刻暴露工具、膜沉积工具、植入工具及蚀刻工具。以此方式，使用从系统参数值范围的约束集合导出以实现小计量盒大小的测量结果以控制制造工艺。在一个实例中，根据本文所描述的方法从一或多个目标收集的测量数据由光刻工具使用以控制焦点及用量。在另一实例中，根据本文所描述的方法从一或多个目标收集的测量数据由蚀刻工具使用以控制蚀刻过程参数，例如蚀刻时间。

如本文所描述，术语“临界尺寸”包含结构的任何临界尺寸(例如，底部临界尺寸、中间临界尺寸、顶部临界尺寸、侧壁角、光栅高度等)、任何两个或两个以上结构之间的临界尺寸(例如，两个结构之间的距离)及两个或两个以上结构之间的位移(例如，覆盖光栅结构之间的覆盖位移等)。结构可包含三维结构、图案化结构、覆盖结构等。

如本文所描述，术语“临界尺寸应用”或“临界尺寸测量应用”包含任何临界尺寸测量。

如本文所描述，术语“计量系统”包含至少部分用以在任何方面特征化样本的任何系统，包含临界尺寸应用及覆盖计量应用。然而，此类技术术语并不限制如本文所描述术语“计量系统”的范围。此外，计量系统100可经配置用于经图案化晶片及/或未经图案化晶片的测量。计量系统可经配置为LED检验工具、太阳能检验工具、边缘检验工具、背面检验工具、宏观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)及得益于基于临界尺寸数据的系统参数的校准的任何其它计量或检验工具。

本文描述可用于处理样本的半导体处理系统(例如，检验系统或光刻系统)的各种实施例。本文使用的术语“样本”是指晶片、光罩或任何其它可通过所属领域中已知方式处理(例如，印刷或检验缺陷)的样品。

如本文所使用，术语“晶片”大体上是指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。通常可在半导体制造工厂中找到及/或处理此类衬底。在一些情况中，晶片可只包含衬底(即，裸晶片)。替代地，晶片可包含形成于衬底上的不同材料的一或多层。形成于晶片上的一或多层可“经图案化”或“未经图案化”。例如，晶片可包含具有可重复图案特征的多个裸片。

“光罩”可为在光罩制造工艺的任何阶段的光罩或可被释放或不可被释放以供在半导体制造工厂中使用的完成光罩。光罩或“掩模”通常定义为具有形成于其上且以图案配置的实质上不透明区的实质上透明衬底。所述衬底可包含例如玻璃材料，例如非晶SiO₂。光罩可在光刻工艺的暴露步骤期间安置于光致抗蚀剂覆盖的晶片上面使得光罩上的图案可转印到光致抗蚀剂。

形成于晶片上的一或多层可经图案化或未经图案化。例如，晶片可包含多个裸片，每一裸片具有可重复图案特征。此类材料层的形成及处理可最终产生完成装置。许多不同类型的装置可形成于晶片上，且本文使用的术语晶片既定包含所属领域中已知的任何类型的装置可制造于其上的晶片。

在一或多个示范性实施例中，所描述功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实施。如果在软件中实施，那么功能可作为在计算机可读媒体上的一或多个指令或代码被存储或传输。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及包含促进计算机程序从一个位置到另一位置的转移的任何媒体的通信媒体。存储媒体可为可由通用或专用计算机存取的任何可用媒体。例如且无限制，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，或可用于携载或存储以指令或数据结构的形式的所需程序代码装置且可由通用或专用计算机或者通用或专用处理器存取的任何其它媒体。此外，任何连接可适当称为计算机可读媒体。例如，如果软件使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线对、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，那么同轴电缆、光纤电缆、双绞线对、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。如本文中使用的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)、软磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘以激光光学地再现数据。以上的组合也应包含于计算机可读媒体的范围内。

虽然上文出于指导目的描述某些特定实施例，但是此专利文档的教示具有一般适用性且并不限于上文所描述的特定实施例。因此，所描述的实施例的各种特征的各种修改、调适及组合可在不脱离如权利要求中阐述的本发明范围的情况下实践。

Claims (23)

1.一种方法，其包括：

以来自可操作以产生具有入射极角的范围、入射方位角的范围、偏振状态的范围及照明波长的范围中的任何两者或两者以上的可用照明光的照明子系统的照明光照明样本；

将所述可用照明光约束到入射极角的所述范围、入射方位角的所述范围、偏振状态的所述范围及照明波长的所述范围中的所述两者或两者以上中的任一者的子集，以实现相对于利用所述可用照明光原本将可实现的较小测量盒大小；

产生指示所述样本对所述照明光的响应的多个输出信号；及

至少部分基于所述多个输出信号确定结构参数的估计。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

约束与不同测量技术相关的可用测量信号的集合。

3.根据权利要求1所述的方法，其中每一输出信号指示以不同入射角从所述样本衍射的一定量的光。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述约束所述照明光涉及确定与每一不同入射角相关的照明波长的子集。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述不同入射角范围在55度与75度之间。

6.根据权利要求5所述的方法，其中照明波长的所述范围在100纳米与2000纳米之间。

7.根据权利要求6所述的方法，其中与大于70度的入射角相关的照明波长的所述子集在190纳米与650纳米之间。

8.根据权利要求7所述的方法，其中与小于70度的入射角相关的照明波长的所述子集在190纳米与800纳米之间。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述照明光的所述约束涉及以下任一者：将递送到所述样本的所述照明光物理地限制到所述子集；将经散射光的收集限制到与所述子集相关的经散射光；及只选择与用于测量分析的所述子集相关的所述输出信号的部分。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述较小测量盒大小在任何方向小于30微米。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述较小测量盒大小在任何方向小于10微米。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述约束所述可用照明光是至少部分基于对归因于几何效应、光衍射效应、像差效应及所述照明光与所述样本之间的互动中的任一者对测量盒大小的影响的分析。

13.一种方法，其包括：

识别包含入射极角的范围、入射方位角的范围、偏振状态的范围及照明波长的范围中的任何两者或两者以上的可用计量系统参数的多维空间；

确定包含入射极角的所述范围、入射方位角的所述范围、偏振状态的所述范围及照明波长的所述范围中的所述两者或两者以上中的任一者的子集的计量系统参数的约束集合，以实现相对于利用计量系统参数的所述可用多维空间原本将可实现的较小测量盒大小；

接收指示所述样本对根据计量系统参数的所述约束集合执行的测量的响应的多个输出信号；及

至少部分基于所述多个输出信号确定结构参数的估计。

14.根据权利要求13所述的方法，其中计量系统参数的所述约束集合的所述确定涉及实验性分析及基于模型的分析中的任一者。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述较小测量盒大小在任何方向小于30微米。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述较小测量盒大小在任何方向小于10微米。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述确定计量系统参数的约束集合是至少部分基于对归因于几何效应、光衍射效应、像差效应及所述照明光与所述样本之间的互动中的任一者对测量盒大小的影响的分析。

18.一种设备，其包括：

照明子系统，其可操作以产生具有入射极角的范围、入射方位角的范围、偏振状态的范围及照明波长的范围中的任何两者或两者以上的可用照明光且用照明光照明样本；

计算机子系统，其经配置以

将所述可用照明光约束到入射极角的所述范围、入射方位角的所述范围、偏振状态的所述范围及照明波长的所述范围中的所述两者或两者以上中的任一者的子集，以实现相对于利用所述可用照明光原本将可实现的较小测量盒大小，及

至少部分基于多个输出信号确定所述样本的结构参数的估计；及

检测器，其可操作以产生指示所述样本对所述可用照明光的所述子集的响应的所述多个输出信号。

19.根据权利要求18所述的设备，其中所述计算机子系统经进一步配置以约束与不同测量技术相关的可用测量信号的集合。

20.根据权利要求18所述的设备，其中所述照明光的所述约束涉及以下任一者：将递送到所述样本的所述照明光物理地限制到所述子集；将经散射光的收集限制到与所述子集相关的经散射光；及只选择与用于测量分析的所述子集相关的所述输出信号的部分。

21.根据权利要求18所述的设备，其中所述较小测量盒大小在任何方向小于30微米。

22.根据权利要求18所述的设备，其中所述较小测量盒大小在任何方向小于10微米。

23.根据权利要求18所述的方法，其中所述可用照明光的所述约束至少部分基于对归因于几何效应、光衍射效应、像差效应及所述照明光与所述样本之间的互动中的任一者对测量盒大小的影响的分析。