一种平行光微光斑光学关键尺寸分析装置及检测方法制造方法及图纸

本申请公开了一种平行光微光斑光学关键尺寸检测方法，采用该检测方法，能够分析微电子结构中垂直侧壁结构与非垂直侧壁结构。该检测方法先通过光谱仪检测到样品的关注参数曲线，再通过建立样品结构光栅周期、占空比、光栅厚度等关键尺寸信息的微电子周期结构物理模型，模拟计算出样品的零级衍射率曲线，并将模拟所得零级衍射率曲线与光谱仪检测到的零级衍射率曲线拟合分析，最终反演出待测微电子周期结构的关键尺寸。本申请公开了一种用于上述方法的检测装置，该装置能够检测分析微电子结构中垂直侧壁结构与非垂直侧壁结构，且对非垂直侧壁结构检测分析速度快。该方法及装置能够对非垂直侧壁结构进行快速检测分析。

Optical key dimension analysis device and detection method for parallel light micro spot

A method for detecting the optical key size of a parallel optical micro spot is disclosed in this paper, and the vertical side wall structure and the non vertical sidewall structure of the microelectronic structure can be analyzed by the detection method. This method first through the spectrometer to detect the samples on parametric curves, and through the establishment of micro periodic structure physical model of sample structure grating period, duty cycle, etc. the key dimensions of the grating thickness information, calculate the sample rate of zero order diffraction curve, and analysis of simulation the zero order diffraction and spectrometer detection rate curve the zero order diffraction efficiency curve fitting, the final inverse key size to be measured micro periodic structure. The present invention discloses a detecting device for the above method, which can detect and analyze the vertical side wall structure and the non vertical sidewall structure in the microelectronic structure, and the detection and analysis speed of the non vertical side wall structure is fast. The method and device can be used for rapid detection and analysis of non vertical sidewall structures.

【技术实现步骤摘要】
一种平行光微光斑光学关键尺寸分析装置及检测方法
本专利技术属于光学工程领域，涉及一种微电子结构光学关键尺寸测试/分析系统的模拟检测方法。
技术介绍
半导体及其他微电子产业中，芯片结构在设计和制造时，对其微电子结构关键尺寸(CD)的有效快速检测是提高芯片量产良品率和效率的重要手段。芯片集成度高，通过制版、光刻、刻蚀等一系列工艺后，芯片上的结构(Pattern)将形成周期性排列。周期性排列微结构的尺寸检测方法较多，如传统光学显微镜技术、显微术(EM)、探针显微术(SPM)等。但是这些检测方法或者需要复杂的显微镜设备，或者需要高真空环境测试，或者只能实现表面轮廓形貌测试，或者对微结构会造成破坏，因此都难以实现量产过程中的在线快速检测。利用光学衍射原理则可以对微电子结构关键尺寸实现在线检测，它对测试环境要求简单，也可分析结构非表面层的尺寸参数，因此成为CD测试/分析中重要的技术手段。该技术起源于光栅设计与制备过程中的衍射度量术，通过对周期性结构远场衍射特性分析从而获取结构特征参数，如魏石铭的博士论文“衍射度量术在光栅形貌测量与小阶梯光栅制作中的应用”所述。在半导体微电子领域中，由于侧重于对芯片关键尺寸的测量，该技术更多的被称为光学关键尺寸检测(OCD)。该技术在国际上已有三十多年发展史，早期的OCD检测采用标量衍射模型模拟微结构中电磁场以实现CD测试/分析。但是随着半导体产业中工艺制程的不断升级，如先进技术节点持续更新(目前半导体行业已进入16nm量级芯片量产)以及复杂结构(FinFET鳍式场效应晶体管等)广泛应用,标量衍射模型已难以适应OCD检测中的精度要求，更精确模拟微结构衍射电磁场的矢量衍射模型开始被普遍采用，其中严格耦合波分析(RCWA)是主要算法。其它还包括一些频域、时域有限差分法的OCD应用。虽然RCWA非常适合垂直侧壁周期结构的衍射模拟，但是对于任意形貌的复杂周期结构则往往需要通过阶梯近似技术计算。值得注意的是，阶梯近似的多层划分对RCWA的计算效率影响较大，因为对于多层模型，RCWA需要逐层计算特征值这一耗时问题。因此选择规避了特征值求解问题的层吸收法(SAM)模拟多层模型的衍射电磁场可以有效提高OCD检测效率。此外由于SAM法在计算多层模型时避免了层内难以并行分解处理的特征值问题，而且SAM模型的各层间也可并行计算，因此它更易于结合并行处理计算平台(如GPU/CPU架构工作站)提高其计算效率。更进一步，一般的传统OCD检测系统对于复杂的一维微电子结构和二维结构均需要实施“先建库后分析”的检测策略，选择SAM法则可对更多一维结构实施“实时模拟后分析”的检测策略。工程实际中，软件分析工具可以同时提供RCWA与SAM算法路径，针对垂直侧壁与非垂直侧壁复杂物理模型，优选对应算法路径，实现微电子结构关键尺寸光学检测系统的高效分析。
技术实现思路
根据本申请的一个方面，提供了一种平行光微光斑光学关键尺寸检测方法，采用该检测方法，能够分析微电子结构中垂直侧壁结构与非垂直侧壁结构。该检测方法先通过光谱仪检测到的关注参数曲线，再通过建立样品结构光栅周期、占空比、光栅厚度等关键尺寸信息的微电子周期结构物理模型，模拟计算出样品的零级衍射率曲线，并将模拟所得零级衍射率曲线与光谱仪检测到的零级衍射率曲线拟合分析，最终反演出待测微电子周期结构的关键尺寸。该装置能够对非垂直侧壁结构进行快速检测分析。所述平行光微光斑光学关键尺寸检测方法，其特征在于，所述方法至少包括步骤：a)将光源发出的光束入射到样品表面，测得样品关注参数曲线；b)设定样品初始关键尺寸结构参数，建立基于初始关键尺寸结构参数的数学物理模型，计算数学物理模型的模拟关注参数曲线；c)将步骤b)中计算得到的所述模拟关注参数曲线与步骤a)中测得的所述样品关注参数曲线对比：如曲线对比结果不一致，则修改步骤b)中所述数学物理模型所基于的关键尺寸结构参数，重新计算所述模拟关注参数曲线并与步骤a)中测得的所述样品关注参数曲线对比；如曲线对比结果一致，则以当前的所述数学物理模型的关键尺寸结构参数作为样品的关键尺寸结构参数。所述样品关注参数曲线、所述模拟关注参数曲线中的关注参数曲线是指能够表征样品表面关键尺寸结构参数的光学光谱曲线。优选地，所述关注参数曲线包括零级衍射率曲线和/或椭圆偏振参数曲线。优选地，所述步骤a)为将宽谱光源发出的光束经过准直和汇聚后，转换为线偏振光入射到样品表面，由光谱仪测得样品关注参数曲线。所述检测到的样品的零级衍射率曲线，由光谱仪检测到的零级衍射光谱曲线与光源光谱强度曲线的比值得到。优选地，所述步骤b)中采用严格耦合波分析算法建立垂直侧壁栅脊样品的数学物理模型的模拟关注参数曲线；采用层吸收算法建立非垂直侧壁栅脊样品的数学物理模型的模拟关注参数曲线。进一步优选地，所述层吸收算法建立非垂直侧壁栅脊样品的数学物理模型中，将所述非垂直侧壁栅脊结构划分10～500个阶梯近似薄层进行层吸收算法模拟计算。更进一步优选地，所述层吸收算法建立非垂直侧壁栅脊样品的数学物理模型中，将所述非垂直侧壁栅脊结构划分10～200个阶梯近似薄层进行层吸收算法模拟计算。对于简单的非垂直侧壁结构，可以划分较少的阶梯近似薄层进行模拟，能够较少分析时间；对于较复杂的非垂直侧壁结构，一般可以划分200个、最多划分500个阶梯近似薄层即可进行有效的模拟分析。作为一个优选的实施方式，所述层吸收算法建立非垂直侧壁栅脊样品的数学物理模型中，将所述非垂直侧壁栅脊结构划分65个阶梯近似薄层进行层吸收算法模拟计算。优选地，所述阶梯近似薄层平行于样品待测表面。优选地，所述步骤b)为先建立基于样品关键尺寸结构参数的数学物理模型数据库，并计算样品数学物理模型的模拟关注参数曲线数据库；所述步骤c)为将步骤b)中计算得到的模拟关注参数曲线数据库与步骤a)中测得的所述样品关注参数曲线对比，选取曲线对比结果一致的数学物理模型的关键尺寸结构参数作为样品的关键尺寸结构参数。优选地，所述步骤b)中关键尺寸结构参数包括光栅周期、占空比、光栅厚度和/或非垂直侧壁结构参数。优选地，所述严格耦合波分析算法与层吸收算法结合CPU/GPU架构数据处理器实施CUDA并行计算。其中，CUDA是指NVIDA的通用并行计算架构(英文：ComputeUnifieddeviceArchitecture)。优选地，所述步骤c)中曲线对比的方法为列文伯格-马夸尔特法(Levenberg-Marquardt法)，曲线对比结果的均方差小于2×10-3或最大绝对误差小于5×10-3的判定为曲线对比结果一致。进一步优选地，所述步骤c)中曲线对比的方法为列文伯格-马夸尔特法，曲线对比结果的均方差小于2×10-3和最大绝对误差小于5×10-3的判定为曲线对比结果一致。优选的，层吸收算法模拟计算功能结合数据处理器实现非垂直侧壁周期结构多层模型并行加速计算。所述数据处理器能够将光谱仪检测得到出射光谱信号与建立的数学物理模型得到的模拟光谱信号对比并输出对比结果。作为一个优选的实施方式，所述数据处理器为GPU/CPU架构计算平台。作为一个优选的实施方式，所述严格耦合波分析算法和层吸收算法结合CUDA并行计算架构实现。其中，GPU是指图形处理单元(英文：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平行光微光斑关键尺寸检测方法，其特征在于，所述方法至少包括步骤：a)将光源发出的光束入射到样品表面，测得样品关注参数曲线；b)设定样品初始关键尺寸结构参数，建立基于初始关键尺寸结构参数的数学物理模型，计算数学物理模型的模拟关注参数曲线；c)将步骤b)中计算得到的所述模拟关注参数曲线与步骤a)中测得的所述样品关注参数曲线对比：如曲线对比结果不一致，则修改步骤b)中所述数学物理模型所基于的关键尺寸结构参数，重新计算所述模拟关注参数曲线并与步骤a)中测得的所述样品关注参数曲线对比；如曲线对比结果一致，则以当前的所述数学物理模型的关键尺寸结构参数作为样品的关键尺寸结构参数。

【技术特征摘要】
1.一种平行光微光斑关键尺寸检测方法，其特征在于，所述方法至少包括步骤：a)将光源发出的光束入射到样品表面，测得样品关注参数曲线；b)设定样品初始关键尺寸结构参数，建立基于初始关键尺寸结构参数的数学物理模型，计算数学物理模型的模拟关注参数曲线；c)将步骤b)中计算得到的所述模拟关注参数曲线与步骤a)中测得的所述样品关注参数曲线对比：如曲线对比结果不一致，则修改步骤b)中所述数学物理模型所基于的关键尺寸结构参数，重新计算所述模拟关注参数曲线并与步骤a)中测得的所述样品关注参数曲线对比；如曲线对比结果一致，则以当前的所述数学物理模型的关键尺寸结构参数作为样品的关键尺寸结构参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关注参数曲线包括零级衍射率曲线和/或椭圆偏振参数曲线；所述步骤a)为将宽谱光源发出的光束经过准直和汇聚后，转换为线偏振光入射到样品表面，由光谱仪测得样品关注参数曲线。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)中采用严格耦合波分析算法建立垂直侧壁栅脊样品的数学物理模型的模拟关注参数曲线；采用层吸收算法建立非垂直侧壁栅脊样品的数学物理模型的模拟关注参数曲线；所述步骤b)中关键尺寸结构参数包括光栅周期、占空比、光栅厚度和/或非垂直侧壁结构参数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述严格耦合波分析算法与层吸收算法结合CPU/GPU架构数据处理器实施CUDA并行计算。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述层吸收算法建立非垂直侧壁栅脊样品的数学物理模型中，将非垂直侧壁栅脊结构划分10～500个阶梯近似薄层进行层吸收算法模拟计算；优选地，所述层吸收算法建立非垂直侧壁栅脊样品的数学物理模型中，将非垂直侧壁栅脊结构划分10～200个阶梯近似薄层进行层吸收算法模拟计算；所述阶梯近似薄层平行于样品待测表面。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤c)中曲线对比的方法为...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈树强，邓浩，朱振国，余金清，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35