[发明专利]一种快速确定微细周期结构形貌参数的方法及设备

说明书

技术领域

本应用涉及半导体制造工艺的光学关键尺寸(OCD)检测。具体为根据OCD设备采集的被测区域的微细周期结构的散射信号以及周期性结构的模型从而快速获知散射体形貌参数的方法。

背景技术

随着半导体制造工业的发展，工艺中的关键尺寸(CD)越来越小，需要控制的尺寸越来越多，传统的光学成像分析的方法无法满足工艺尺寸的检测。新的成像技术不断地应用于半导体工艺形貌的检测中，如扫描电子显微镜(CD-SEM)、原子力显微镜(AFM)，可实现高精度的CD尺寸、沟槽深度尺寸的检测，但其检测过程复杂，对样品具有破坏性，无法实现在线检测。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，但不能对周期性结构区域进行测量。半导体工艺中的许多尺寸特征可以反应在专门的被测区域里。OCD设备正是通过获取的被测区域周期性结构的散射信号以及对微细结构建立的模型从而估计出结构的形貌参数。术语“形貌参数”指描述待测器件的形状，包括二维和三维多层结构的形貌尺寸参数。OCD方法可以实现CD及其它形貌尺寸的检测，在具体的检测案例中，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测量方法有非接触性、非破坏性、同时检测多个工艺特征、可实现工艺的在线检测等诸多优势，因此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检测愈精细结构的方向迅速发展。OCD测量原理总体上可概括为两个步骤：光谱获取过程--获取样品的散射信号并处理为测量光谱；光谱匹配过程--建立样品的形貌模型并寻找特定的理论光谱实现与测量光谱的最佳匹配从而确定其形貌参数。其测量的流程示意如图1所示。

A01为样品测量光谱的获取模块。散射光谱仪的光源经过起偏器入射至样品的被测周期性结构区域，经过样品的散射，散射光中包含了样品的结构、材料等信息。散射光通过检偏器被散射仪的探测器接收。散射仪将接收到的散射信号处理为包含了样品信息的测量光谱A02。测量光谱的数值的描述形式有反射率Rs，Rp，偏振态变化的描述tanΦ，cosΔ，偏振态分析的傅立叶系数α，β，或直接输出描述散射过程的Jones矩阵等形式。

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果的形貌模型A03，形貌模型由形貌参数决定，这里的形貌模型为二维光栅结构，实际应用中可以是任意二维和三维形貌结构。根据周期性结构的光散射原理，可以计算出具体参数确定的形貌模型对应的样品散射的理论光谱。变化形貌模型的参数，就会有不同的样品理论光谱。光谱匹配过程就是寻找一组形貌参数，具有该参数形貌的样品其理论光谱与测量光谱实现最佳匹配。这样，就可以用这组参数决定的形貌估计被测样品的实际形貌，从而实现了样品的形貌参数的测量。如A03所示的模型，被测样品区域为二维周期性结构，其主剖面(在这个面内结构呈周期性变化)，周期性结构的周期数足够多，通常称之为光学光栅。光栅的上方材料(如为空气)用(n1，k1)描述，n为材料的折射率，k为材料吸收系数。从上往下，第一层为光栅层，其材料为(n2，k2)，具有一定周期(pitch)，形状为梯形，用(TCD，BCD，HT)描述，TCD为梯形的上底边宽度，BCD为梯形的下底边宽度，HT为梯形的高度，TCD，BCD在工艺中表征关键尺寸。第二层为薄膜层，其材料为(n3，k3)，其厚度用TH表示。再往下为衬底(n4，k4)材料。通常情况，材料的信息可以通过薄膜测量技术获知。这样，样品的模型就可以用参数向量v＝(TCD，BCD，HT，TH)^T描述，若一般化描述，可以写为v＝(V₀，V₁，...，V_N-1)^T，V_i，i＝0，...，N-1为多层结构全部的参数。根据光散射理论，对于特定的样品v，散射仪获取的光谱理论上的数值可以用s(λ)描述。v，s(λ)可以由一组复杂理论方程确定。通过数值求解可以求解出s(λ)＝Γ(v)。