基于软性X射线散射测量的叠对测量方法及系统技术方案

本文中提出用于基于软性X射线(SXR)散射测量的测量数据来执行叠对及边缘放置误差的方法及系统。聚焦在小照射光斑大小之上的短波长SXR辐射使得能够测量设计规则目标及裸片中作用装置结构。在一些实施例中，用具有在从10到5,000电子伏特的范围中的能量的SXR辐射来执行SXR散射测量的测量。因此，在SXR波长下的测量准许在密切表示实际装置叠对的过程设计规则下的目标设计。在一些实施例中，从同一计量目标同时执行叠对及形状参数的SXR散射测量的测量以使得能够准确测量边缘放置误差。在另一方面中，基于设计规则目标的SXR测量，通过将所述SXR测量校准到实际装置目标的参考测量来估计非周期性装置结构的叠对。估计非周期性装置结构的叠对。估计非周期性装置结构的叠对。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于软性X射线散射测量的叠对测量方法及系统
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]本专利申请案依据35U.S.C.
§
119主张来自于2020年1月7日提出申请的标题为“System and Method for Measuring Overlay and Edge Placement Error With Soft X
‑
ray Scatterometry”的美国临时专利申请案第62/958,089号的优先权，所述美国临时专利申请案的标的物以其全文引用方式并入本文中。


[0003]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经改进测量准确度的方法及系统。

技术介绍

[0004]通常通过应用于样品的处理步骤序列来制作例如逻辑及存储器装置的半导体装置。通过这些处理步骤来形成半导体装置的各种特征及多个结构层级。举例来说，其它处理步骤当中的光刻是涉及在半导体晶片上产生图案的一种半导体制作工艺。半导体制作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作多个半导体装置，且然后将其分离成个别半导体装置。
[0005]在半导体制造过程期间，在各个步骤处使用计量工艺来检测晶片上的缺陷以促成较高合格率。通常使用若干种基于计量的技术(包含散射测量及反射测量实施方案)及相关联分析算法来表征临界尺寸、膜厚度、组合物及纳米尺度结构的其它参数。
[0006]随着装置(例如，逻辑及存储器装置)朝向较小纳米尺度尺寸进展，表征变得更困难。并入有复杂三维几何结构及具有迥异物理性质的材料的装置加剧表征困难度。举例来说，现代存储器结构通常是高深宽三维结构，这使得光学辐射难以穿透到底部层。利用红外光到可见光的光学计量工具可穿透半透明材料的许多层，但提供良好穿透深度的较长波长不提供对小异常现象的充足敏感度。类似地，基于电子的计量工具在不损坏样本的情况下遭受穿透深度不足。另外，表征复杂结构(例如，FinFET)所需的越来越多数目的参数导致越来越多的参数相关性。因此，通常无法将表征目标的参数与可用测量可靠地解耦。对于一些结构参数，例如边缘放置误差(EPE)，当前不具有高吞吐量(例如，光学)测量解决方案。
[0007]当前，采用数种技艺来测量叠对及临界尺寸(CD)，同时取得不同程度的成功。通常采用光学及电子束计量技术对专门化计量目标执行CD及叠对测量。
[0008]光学叠对测量主要基于光学成像或非成像衍射(散射测量)。然而，这些方法尚未可靠地克服与许多高级目标(例如，复杂3D结构、小于10nm的结构、采用不通透材料的结构)的测量及测量应用(例如，线边缘粗糙度及线宽度粗糙度测量)相关联的基本挑战。
[0009]使用现有方法，通常基于通过光刻工具对形成于晶片上的各个位置处的专门化目标结构进行测量来评估叠对误差。在一些实例中，将空间分离的光栅用于基于成像的光学叠对测量。在一些其它实例中，将框中框结构用于基于成像的光学叠对测量。以这种形式，框形成于晶片的一个层上且第二较小框形成于另一层上。通过比较两个框的中心之间的对
准来测量局部化叠对误差。在其中可获得目标结构的晶片上的位置处进行这类测量。在一些实例中，将叠对的光栅或交错的光栅用于基于散射测量的光学叠对测量或电子束叠对测量。
[0010]不幸地，这些专门化目标结构通常不符合用以产生电子装置的特定半导体制造工艺的设计规则。这导致对与根据适用设计规则制造的实际装置结构相关联的叠对误差的估计误差。
[0011]在一个实例中，基于图像的光学叠对计量严重受限于在光学波长下成像的分辨率。因此，仅能测量具有远大于设计规则的特征的目标。基于图像的光学叠对计量通常需要将用光学显微镜解析的图案，所述光学显微镜需要具有远超出设计规则临界尺寸的临界尺寸的粗线。
[0012]在另一实例中，基于0级衍射的基于散射测量的光学叠对计量对小叠对误差具有极低敏感度，这是因为敏感度随周期性目标的间距而降低。这驱使间距远大于装置的设计规则的尺寸。而且，这一测量方法的准确度在其中测量叠对的层中的任一者中存在任何不对称的情况下都急剧降级。另外，这一方法在单个测量中无法在正叠对误差与负叠对误差之间进行区分。
[0013]在另一实例中，基于高于零的衍射级的基于散射测量的光学叠对计量也需要相对大的间距目标以在非零传播衍射级处产生充足信号。通常从具有与照射光的光学波长相当的图案间距的周期性目标产生叠对不对称光学信号。在一些实例中，可使用在范围500nm到800nm中的间距值。同时，用于逻辑或存储器应用的实际装置间距(设计规则尺寸)小得多，例如，在范围100nm到400nm中或甚至低于100nm。另外，这一方法的准确度在其中测量叠对的层中的任一者中存在任何不对称的情况下都急剧降级。将照射的光学波长减小到深紫外光及真空紫外光范围中并没有帮助，这是因为这些光子被衰减且不足以穿透多个层结构来到达评估叠对及边缘放置误差所需的下伏图案。
[0014]基于电子的计量技术(例如扫描电子显微镜(SEM)及电子束计量)能够解析纳米尺度特征且测量非周期性结构(例如随机逻辑)。然而，基于电子的计量系统在用于测量实际装置时具有破坏性。另外，基于电子的计量系统具有低吞吐量。测量时间可以是每测量位点大约几秒。另外，基于电子的计量系统是提供极有限的三维测量能力的从上而下的成像系统。举例来说，当采用SEM来测量重叠的光栅之间的叠对时，其因为点扩展函数随穿透深度增加而丧失测量CD及EPE的能力。进一步细节描述于授予Gutman等人且受让与KLA
‑
Tencor公司的美国专利第10,473,460号中，所述美国专利的内容以其全文引用方式并入本文中。一般来说，SEM实现中间分辨率水平，但不能够在不破坏样本的情况下将结构穿透到充足深度。另外，样品的所需充电对成像性能具有不利效果。
[0015]原子力显微镜(AFM)及扫描穿隧显微镜(STM)能够实现原子分辨率，但其仅可探测样品的表面。另外，AFM及STM显微镜需要长扫描时间。
[0016]透射电子显微镜(TEM)实现高分辨率水平且能够探测任意深度，但TEM需要对样品进行破坏性剖切。
[0017]为了克服对用于叠对及EPE测量的基于光学及电子的计量的一些限制，可采用绝对对位测量技术。采用具有等于任何两个图案之间的空间分离的范围的准确平移阶段来测量特征之间的绝对距离。采用这一结果来辅助对叠对、CD及EPE的评估。不幸地，绝对对位测
量技术需要准确阶段，将复杂度添加到测量工具且限制吞吐量。而且，可无法在图案覆盖图案目标或装置结构上良好地执行所述技术。进一步细节描述于Shchegrov等人且受让与KLA
‑
Tencor公司的WIPO公开案第2019/173171号中，所述WIPO公开案的内容以其全文引用方式并入本文中。
[0018]总而言之，对于逻辑装置及高级DRAM以及垂直或平面NAND装置，装置制作节点处低于20纳米的半导体装置合格本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种计量系统，其包括：软性X射线(SXR)照射源，其经配置以用具有在介于10与5,000电子伏特之间的范围中的能量的SXR辐射束来照射安置在衬底上的测量目标的第一例子，其中所述测量目标包含：第一结构，其安置在制作于所述衬底上方第一高度处的第一层中；及第二结构，其安置在制作于所述衬底上方第二高度处的第二层中；x射线检测器，其经配置以检测各自与响应于入射x射线辐射束而从所述测量目标散射的x射线辐射量的一或多个非零衍射级相关联的多个强度；及计算系统，其经配置以：基于所述一或多个非零衍射级中的每一者内的所述多个所检测强度来估计与所述测量目标或对应裸片中作用装置结构相关联的叠对误差值。2.根据权利要求1所述的计量系统，所述x射线检测器进一步经配置以检测与响应于所述入射x射线辐射束而从所述测量目标散射的所述x射线辐射量的零衍射级相关联的强度，且所述计算系统进一步经配置以：基于所述零衍射级内的所述所检测强度、所述一或多个非零x射线衍射级中的每一者内的所述多个所检测强度或其任一组合来估计表征所述测量目标的形状的一或多个参数的值；及基于所述所估计叠对值及表征所述测量目标的所述形状的所述一或多个参数的所述所估计值来估计所述测量目标的边缘放置误差的值。3.根据权利要求1所述的计量系统，所述SXR照射源进一步经配置以用所述SXR辐射束来照射安置在所述衬底上的所述测量目标的第二例子，其中所述测量目标的所述第一例子的所述第一结构在与所述第一层对准的方向上从所述测量目标的所述第一例子的所述第二结构偏移一偏移距离，其中所述测量目标的所述第二例子的所述第一结构在同与所述第一层对准的所述方向相反的方向上从所述测量目标的所述第二例子的所述第二结构偏移所述偏移距离，所述x射线检测器经配置以检测各自与响应于所述入射x射线辐射束而从所述测量目标的所述第二例子散射的x射线辐射量的一或多个非零衍射级相关联的多个强度，且其中对与所述测量目标相关联的所述叠对误差值的所述估计是基于与所述测量目标的所述第一例子相关联的+1衍射级及
‑
1衍射级内的所述所检测强度之间的差以及与所述测量目标的所述第二例子相关联的所述+1衍射级及所述
‑
1衍射级内的所述所检测强度之间的差。4.根据权利要求1所述的计量系统，其中对与所述测量目标相关联的所述叠对误差值的所述估计是基于利用基于物理的测量模型对所述一或多个非零衍射级内的所述所检测强度的拟合分析。5.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述SXR辐射束在多个测量例子处各自以不同标称入射角、不同标称方位角或两者入射在所述测量目标上。6.根据权利要求5所述的计量系统，其中对与所述测量目标相关联的所述叠对误差值的所述估计是基于所述多个测量例子中的每一者处的所述一或多个非零衍射级中的每一者内的所述多个强度中的调制。7.根据权利要求1所述的计量系统，其中通过基于经训练机器学习的测量模型从所述一或多个非零衍射级内的所述所检测强度直接确定与所述测量目标或所述对应裸片中目
标相关联的所述叠对误差值。8.根据权利要求7所述的计量系统，其中所述测量目标并非周期性的。9.根据权利要求7所述的计量系统，所述软性X射线(SXR)照射源进一步经配置以用具有在介于10与5,000电子伏特之间的范围中的能量的所述SXR辐射束来照射多个实验设计(DOE)测量目标，所述x射线检测器进一步经配置以检测各自与响应于所述入射x射线辐射束而从所述多个DOE测量目标中的每一者散射的x射线辐射量的一或多个非零衍射级相关联的多个强度，所述计算系统进一步经配置以基于与所述DOE测量目标或对应裸片中目标中的每一者相关联的所述所检测多个强度及已知叠对误差值来训练所述基于机器学习的测量模型。10.根据权利要求9所述的计量系统，其中通过参考计量系统从对所述DOE测量目标或对应裸片中目标的测量确定所述已知叠对误差值。11.根据权利要求1所述的计量系统，其中对与所述对应裸片中作用装置结构相关联的所述叠对误差值的所述确定涉及基于所述一或多个非零衍射级中的每一者内的所述多个所检测强度的与所述测量目标相关联的所述所估计叠对误差值与校正值的加总。12.根据权利要求1所述的计量系统，其中所述第一层是...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：科磊股份有限公司，
类型：发明
国别省市：