[發(fā)明專利]用于寬帶光反射光譜的方法和系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202080096256.0
• 申請(qǐng)日: 2020-12-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115135989A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 約納坦·奧倫;吉拉德·巴拉克
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 諾威有限公司
• 主分類號(hào): G01N21/65
• 分類號(hào): G01N21/65
• 代理公司: 北京康信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11240
• 代理人: 劉瑞賢

公開(kāi)了光反射(PR)光譜系統(tǒng)和方法，用于獨(dú)立地累積從樣本反射的“泵通”光束和“泵斷”光束。該系統(tǒng)包括：(a)用于產(chǎn)生探測(cè)光束的探測(cè)源，探測(cè)光束用于測(cè)量樣本的光譜反射率；(b)用于產(chǎn)生泵浦光束的泵浦源；(c)至少一個(gè)光譜儀；(d)第一調(diào)制設(shè)備，允許泵浦光束交替地調(diào)制樣本的光譜反射率，以使得從樣本反射的光束是交替的“泵通”光束和“泵斷”光束；(e)位于從樣本反射的光束的路徑中的第二調(diào)制設(shè)備，用以交替地將“泵通”光束和“泵斷”光束引導(dǎo)至至少一個(gè)光譜儀，以及(f)計(jì)算機(jī)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體測(cè)量技術(shù)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于通過(guò)光學(xué)儀器測(cè)量設(shè)備關(guān)鍵尺寸的半導(dǎo)體計(jì)量技術(shù)。

背景技術(shù)

為了提高性能、能效和成本，半導(dǎo)體制造業(yè)不斷朝著更小的器件尺寸發(fā)展。保持這一趨勢(shì)需要更加嚴(yán)格和高效的過(guò)程控制，因此在關(guān)鍵尺寸和材料性能方面也需要計(jì)量。

在此背景下，光學(xué)計(jì)量方法因其無(wú)損、非接觸機(jī)制以及高吞吐量和小測(cè)量點(diǎn)而與眾不同。具體而言，光譜方法(諸如光譜反射法(SR)和光譜橢偏法(SE))通常用于尺寸計(jì)量(OCD)和過(guò)程控制。通過(guò)檢測(cè)從樣本反射的光，可以推斷出關(guān)于薄膜的光學(xué)性質(zhì)和厚度的信息以及復(fù)雜圖案結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)。然而，這些方法通常對(duì)固有材料特性(如電參數(shù)(如載流子壽命、遷移率)和機(jī)械參數(shù)(如應(yīng)變/應(yīng)力)的敏感性很低。其他測(cè)量此類特性的方法往往存在各種缺點(diǎn)，如破壞性大、需要與樣本接觸、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)或測(cè)量點(diǎn)過(guò)大。因此，本發(fā)明的目的是提供用于測(cè)量樣本的光學(xué)特性中光誘導(dǎo)變化的裝置和方法。克服現(xiàn)有系統(tǒng)和方法的上述缺點(diǎn)的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容

調(diào)制光譜學(xué)(MS)指的是一系列技術(shù)，其中樣本從其標(biāo)稱狀態(tài)以某種方式受到擾動(dòng)，并測(cè)量光譜的變化(而非光譜本身)作為對(duì)該擾動(dòng)的響應(yīng)。這方面的示例有熱反射，由于測(cè)量溫度變化引起的反射率差異；分別施加了靜電/靜磁場(chǎng)的電/磁反射或使用光場(chǎng)飛光反射。

由于材料的光譜反射率與電子特性(如能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、自由載流子等)密切相關(guān)，調(diào)制光譜學(xué)(MS)比任何其他光譜方法對(duì)這些特性更為敏感。當(dāng)半導(dǎo)體器件的電測(cè)試需要在其制造過(guò)程的早期階段進(jìn)行時(shí)，這可能具有很高的價(jià)值，而傳統(tǒng)的電測(cè)試是不可能的。

本發(fā)明致力于用于寬帶光反射(PR)光譜的裝置和方法，即用于測(cè)量樣本的光學(xué)特性中的光誘導(dǎo)變化。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，PR裝置使用兩個(gè)光束：用于測(cè)量樣本的光譜反射率的第一探測(cè)光束和用于調(diào)制反射率的第二泵浦光束。PR測(cè)量值為ΔR/R，其中R(ω)+ΔR(ω)以及R(ω)分別是有泵浦光束和無(wú)泵浦光束時(shí)的光譜反射率。

在大多數(shù)情況下，ΔR/R的值非常小，大約為10^-5-10^-4的數(shù)量級(jí)。測(cè)量反射率的這種微小變化需要約～10^-6的信噪比(SNR)，這是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)光譜系統(tǒng)中存在噪聲和雜散信號(hào)源。

下面描述本發(fā)明的PR裝置和方法的最終性能和優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)本發(fā)明，PR測(cè)量中的主要噪聲因素如下：

·散粒噪聲：在檢測(cè)N個(gè)光子(或光電子)時(shí)的散粒噪聲為在PR中，感興趣的信號(hào)ΔR是兩個(gè)強(qiáng)得多的信號(hào)R和R+ΔR相減的結(jié)果。在這些信號(hào)中的每一個(gè)的噪聲都是不相關(guān)的，因此不會(huì)被減去。因此，如果在反射率R處檢測(cè)到N個(gè)光電子，則SNR變?yōu)槔纾瑸榱藱z測(cè)PR信號(hào)其中SNR＝10，總共需要收集2·10¹²個(gè)光電子(每像素)，對(duì)于可見(jiàn)光光電子的量總計(jì)μJ。

·“1\f”噪聲，來(lái)自源、探測(cè)器和電子設(shè)備。這種類型的噪聲很難克服，因?yàn)檎缙涿Q所示，它與頻率成反比，或與采集時(shí)間成線性-這意味著增加測(cè)量時(shí)間無(wú)助于將其平均化(或者換句話說(shuō)，它包含長(zhǎng)期相關(guān)性)。

對(duì)此的常見(jiàn)緩解措施稱為鎖定檢測(cè)(LID)，即以足夠高的頻率(通常約數(shù)百Hz)調(diào)制泵浦光束，并通過(guò)鎖定到泵浦調(diào)制頻率的鎖定放大器(LIA)傳遞探測(cè)檢測(cè)器信號(hào)，從而隔離接近調(diào)制頻率的頻率，并拒絕其余頻率。