KR20070093438A

KR20070093438A - 주기적인 회절 구조를 포함하는 층을 갖는 샘플을 측정하는시스템

Info

Publication number: KR20070093438A
Application number: KR1020077017263A
Authority: KR
Inventors: 노아 바레켓; 다니엘 씨. 와크; 궈헹 자오
Original assignee: 케이엘에이-텐코 테크놀로지스 코퍼레이션
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2007-09-18
Also published as: WO2006076484A3; KR101342410B1; WO2006076484A2; US20080037005A1; JP2008530519A; JP5341354B2; US20090190141A1; US7515253B2

Abstract

필름의 1- 또는 2-차원 회절 구조의 크리티컬 디멘젼들 및 다른 파라미터들을 측정하기 위하여, 계산은 크리티컬 디멘젼 또는 상기 구조의 다른 특성들과 관련된 파라미터들을 변화시키지 않는 필름 모델을 사용하여 우선 필름의 두께 측정을 수행함으로써 간소화된다. 필름의 두께는 필름 모델을 사용하여 충분히 정확하게 추정되어, 이와 같은 추정치가 크리디컬 디멘젼 및 2-차원 회절 구조와 관련된 다른 파라미터를 도출하기 위한 구조 모델을 간소화하는데 사용될 수 있도록 한다.

필름, 회절 구조, 두께 측정, 필름 모델, 크리티컬 디멘젼.

Description

주기적인 회절 구조를 포함하는 층을 갖는 샘플을 측정하는 시스템{SYSTEM FOR MEASURING A SAMPLE WITH A LAYER CONTAINING A PERIODIC DIFFRACTING STRUCTURE}

본 발명은 일반적으로 광학 샘플 측정 시스템에 관한 것이며, 특히 주기적인 회절 구조를 포함하는 층을 갖는 샘플을 측정하는 시스템에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 프로세싱, 및 유사한 애플리케이션들에서, 레지스트 필름 또는 유전체 층에서 에칭되는 접촉 홀들과 같은 박막들에서 에칭되는 구조들의 프로파일들 및/또는 디멘젼들의 측정을 자주 경험하게 된다. 상기 구조들의 프로파일들 및/또는 디멘젼들을 측정하는 종래의 방법은 분광 스캐터로미트리(spectroscopic scatterometry) 또는 분광 크리티컬 디멘젼 측정(spectroscopic critical dimension measurement)들에 의한 것이다. 현재의 SCD 방법에서, 광대역 광 빔의 정반사율의 스펙트럼이 필름에서 에칭되는 라인들 또는 접촉 홀들의 어레이의 높이, 폭 또는 직경(또는 크리티컬 디멘젼으로서 공지됨), 및 벽 각도와 같은 파라미터들을 측정하는데 사용된다. 상기 측정들을 수행하기 위하여, 모델 파라미터들의 함수로서, 상기 구조 모델을 사용하여 반사율 스펙트럼들이 계산된다. 그 후, 스펙트럼들에 적합한 모델 파라미터들의 최선의 값들을 찾아내기 위하여 알고리즘이 사 용된다. 상기 구조 모델에서 다수의 모델 파라미터들이 고려될 필요가 있는 경우에, 스펙트럼들의 계산은 시간을 소모하고, (몇 초에서와 같이) 실시간에 행하는데 있어서 비실용적이 된다.

이 문제를 피하기 위하여, 현재의 방법의 변형에서, 상기 구조들을 포함하지 않는 웨이퍼 상의 필름 또는 층의 이웃하는 에어리어가 두께 정보를 획득하기 위하여 독립적으로 측정된다. 이웃하는 에어리어의 필름 또는 층 및 관심 있는 구조들(예를 들어, 접촉 홀들)을 갖는 필름 또는 층이 동일한 필름 지수 및 두께 특성들을 갖는다고 가정하면, 이와 같은 두께 값은 그 후에 상기 구조 모델의 구성에서 사용됨으로써, 모델 파리미터들의 수를 감소시킬 수 있다. 이로 인해 모델링 복잡성 및 계산 시간이 감소된다.

상술된 종래의 방법들은 다수의 이유들로 인해 유용하지 않다. 우선, 이웃하는 에어리어의 독립적이고 개별적인 측정들을 먼저 수행함으로써 모델링을 간소화하는 것은 이와 같은 이웃하는 에어리어들이 항상 이용 가능하지는 않기 때문에, 항상 가능하지는 않다. 이와 같은 에어리어가 이용 가능할지라도, 이와 같은 에어리어에서의 필름 두께는 관심 있는 에칭된 필름 구조의 두께 또는 높이와 실질적으로 상이할 수 있다. 이웃하는 에어리어에 대해 개별적인 측정들이 수행되지 않으면, 그리고 상술된 바와 같이, 계산들이 실시간에 수행되어야 하는 애플리케이션들에 대하여 상기 계산은 너무 많은 시간이 들 수 있다. 따라서, 개선된 시스템을 제공함으로써 상술된 단점들을 극복하는 것이 바람직하다.

본 발명은 구조 모델들의 구성을 간소화하기 위하여, 타겟 회절 구조들을 포함하는 웨이퍼의 동일한 에어리어 상의 필름 두께 정보가 획득되어 타겟 구조들의 구조 모델을 사용하여 회절 구조들에 속하는 파라미터의 도출을 용이하게 할 수 있다는 인식에 기초한다. 그 후, 모델 파라미터들의 수를 감소시키고 신호 스펙트럼들의 계산을 간소화하기 위하여 필름 두께의 값이 상기 구성 및 타겟 구조의 구조 모델의 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 필름 두께는 동일한 회절 데이터로부터 획득될 수 있고, 회절 구조들에 속하는 파라미터들을 도출하는데 사용되어, 필름 두께가 우선 상기 데이터로부터 획득되고 나서, 회절 구조들에 속하는 파라미터들이 동일한 데이터로부터 획득되는 프로세스에 충분한 데이터를 획득하는데 있어서 단일 측정으로도 충분하도록 한다. 대안적인 실시예에서, 타겟 회절 구조들을 포함하는 웨이퍼의 동일한 에어리어에 대한 필름 두께 측정들이 먼저 수행되고, 필름 두께가 필름 모델을 사용하여 발견될 수 있다. 그 후, 회절 구조에 대한 별도의 측정이 수행되어 회절 구조들에 속하는 파라미터들이 도출되는 데이터를 획득한다.

바람직하게는, 필름 두께를 획득하기 위한 프로세스에서 사용되는 필름 모델은 피치, 크리티컬 디멘젼, 측벽 각도 또는 다른 프로파일 관련 파라미터들과 같은 회절 구조에 관련된 임의의 양을 변화시키거나 파라미터화하지 않는다.

바람직하게는, 회절 구조는 다수의 파장들(예를 들어, 230 내지 850 나노미터 내의 파장들)의 방사에 의하여 조사된다. 빔의 회절이 바람직하게는 다수의 파장들에서 검출되고 나서, 회절 구조와 관련된 하나 이상의 파라미터들이 발견된 두께 값 및 검출된 회절을 사용하여 결정된다. 상술된 시스템은 신호 스펙트럼들 내의 일정 영역들에서 검출된 방사선을 사용하여 필름 내의 일정 유형들의 구조들을 측정하는데 특히 유용하다. 회절은 분광 스캐터로미터, 리플렉토미터(reflectometer), 엘립소미터(ellipsometer) 또는 편광계와 같은 임의의 적절한 도구를 사용하여 검출될 수 있다.

도1A는 본 발명을 설명하는데 사용될 수 있는, 내부에 접촉 홀들의 2-차원 어레이를 갖는 층을 가진 반도체 웨이퍼의 일부의 사시도이다.

도1B는 도1A의 라인 1B-1B를 따르는 도1A의 층 및 웨이퍼의 일부의 단면도이다.

도2는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 분광 스캐터로미터/리플렉토미터의 개략도이다.

도3A, 3B, 및 3C는 서로 독립적으로 측정되는 3개의 대응하는 상이한 층들에 의해 스캐터링되는 방사선의 3개의 독립적인 측정들에서 측정되는 S-편광 성분들의 반사도들의 그래픽도들이다. 각각의 층은 본 발명을 설명하는데 사용될 수 있는, 내부에 접촉 홀들의 3차원 어레이를 가지며, 여기서 3개의 층들 내의 홀들은 상이한 직경들을 갖는다. 이러한 그래픽도들은 또한 반사 스펙트럼이 스펙트럼의 더 긴 파장 부분들에 비하여 홀 직경의 변화들에 민감하지 않다는 사실을 설명하기 위하여 층들 내의 접촉 홀 직경들의 5 나노미터 변화에 기인한 이와 같은 성분들의 반사도의 변화를 나타낸다.

도4A, 4B, 4C 및 4D는 본 발명을 설명하는데 사용되는 내부에 홀들을 갖지 않는 필름 패드에 의해 스캐터링되는 방사선의 S-편광 및 P-편광 성분들 각각의 반사도들 및 엘립소메트릭 파라미터들(α, β)의 모델에 의하여 예측되는 값들 및 측정된 값들의 비교를 도시한 그래픽도이다. 도4A-4D에서, 모델은 복소 굴절 지수(n 및 k)가 3967A의 필름 두께 값을 산출하기 위하여 변화되는 것이다.

도5A, 5B, 5C 및 5D는 도2의 장치를 사용하여 측정되는 내부에 홀들의 2차원 어레이를 갖는 필름에 의해 스캐터링되는 방사선의 S-편광 및 P-편광 성분들 각각 및 엘립소메트릭 파라미터들(α, β)의 모델에 의해 예측되는 값들 및 측정된 값들의 비교를 도시한 그래픽도이다. 도5A-5D에서, 모델은 복소 굴절 지수(n 및 k) 뿐만 아니라, 두께가 3970.08A의 필름 두께 값을 산출하기 위하여 변화되는 것이다.

도6A, 6B, 6C 및 6D는 도2의 장치를 사용하여 측정되는 내부에 홀들의 2-차원 어레이를 갖는 필름 패드에 의해 스캐터링되는 방사선의 S-편광 및 P-편광 성분들 각각 및 엘립소메트릭 파라미터들(α, β)의 모델에 의해 예측되는 값들 및 측정된 값들의 비교를 도시한 그래픽도이다. 도5A-5D에서, 모델은 (복소 굴절 지수(n 및 k)가 아니라) 두께가 3932.67A의 필름 두께 값을 산출하기 위하여 변화되는 것이다.

도7은 본 발명을 설명하기 위하여 내부에 홀들을 갖지 않는 필름 패드들의 복소 굴절 지수(n 및 k) 및 대응하는 격자(접촉 홀들의 2-차원 어레이를 갖는 필름 패드)의 복소 굴절 지수의 그래픽도이다.

도8은 회절 구조를 측정하는 방법을 도시한 흐름도이다.

설명의 간소화를 위하여, 본 명세서에서 동일한 요소들에는 동일한 번호들이 병기되어 있다.

도1A는 내부에 접촉 홀들(13)의 2-차원 어레이를 갖는 상부에 층(12b)이 있는 실리콘 기판(12a)을 가진 반도체 웨이퍼의 사시도이다. 도1B는 도1A의 라인 1B-1B을 따르는 도1A의 웨이퍼(12)의 단면도이다. 도1B의 단면도는 도1A와 동일한 스케일로 도시되지는 않았다. 도1B에 도시된 바와 같이, 접촉 홀들의 어레이에서의 홀들(13) 각각은 직경(D)을 가지며, 피치(P)만큼 떨어져 이격된다. 층(12b)은 h의 두께 또는 높이를 가지며, 접촉 홀들(13)의 측벽들은 실리콘 기판(12a)의 최상부면에 대해 A의 각도를 갖는다.

종래의 방법에서, D(홀들(13)의 직경), 피치(P), 높이 또는 두께(h), 및벽 각도(A), 또는 접촉 홀들(13)의 프로파일 또는 형상과 관련된 다른 파라미터들과 같은 양들을 결정할 수 있도록 하기 위하여, 상술된 파라미터들 모두, 뿐만 아니라, 층(12b)의 복소 굴절 지수는 스펙트럼들에 적합한 최선의 모델 파라미터들을 찾아내는데 사용된다. 이와 같은 다수의 파라미터들을 포함하는 스펙트럼들의 계산은 시간을-소모하며, 실시간에 실행하기가 어려울 수 있다. 상술된 종래의 방법들 중 하나에서, 내부에 홀들을 갖지 않는 필름의 이웃하는 에어리어는 필름 두께 값을 찾아내기 위해 독립적으로 측정된다. 이 측정된 두께 값은 그 후에 내부에 홀들을 갖는 필름에 대한 구조 모델들에서 사용되어, 구조 모델에서 독립 변수들의 수를 감소시킨다. 그러나, 도1A 및 1B의 웨이퍼(12)에 의해 예시된 바와 같이, 나머 지 파라미터들의 결정과 관계없이 층(12b)의 두께(h)를 결정하기 위하여 수행될 이와 같은 별도의 측정을 위한 내부에 접촉 홀들(13)이 없는 층(12b)의 여분의 에어리어가 존재하지 않는다.

본 발명은 홀 어레이에 관련된 파라미터들의 측정을 위한 구조 모델을 간소화하기 위하여, 층(12b)의 두께의 근사 값이 우선 접촉 홀 어레이에 관련된 파라미터들을 변화시키지 않는 층의 필름 모델을 사용하여 발견될 수 있다는 인식에 기초한다. 이와 같은 발견된 두께는 더 정확하며, 여기서 홀들(13)의 직경(D)은 피치(P)의 1/3 또는 홀들 간의 간격보다 더 적다. 그 후, 홀들(13)에 의해 점유된 부피율(volume fraction)은 0.1보다 다소 더 적다. 이와 같은 경우에, 접촉 홀들의 파라미터들(예를 들어, 직경, 피치, 벽 각도, 등)을 변화시키지 않는 필름 모델은 많은 애플리케이션들에 충분한 정확도의 높이(h)에 대한 추정치를 제공한다. 필름 모델을 사용하는 상술된 개념을 적용하기 위한 또 다른 유용한 조건은 일정한 파장들에서 층(12b) 내의 홀들(13)의 어레이로부터의 회절된 방사선의 반사도가 홀 직경(D)과 같은 회절 구조와 관련된 파라미터들에 영향을 덜 받는 것이다. 이러한 문제들이 조사되기 전에, 먼저 도1A 및 1B의 웨이퍼(12)를 측정하는데 사용될 수 있는 장치를 설명하는 것이 유용하다.

도2는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 분광 스캐터로미터 시스템(10)의 개략도이다. 도2에 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 유용하게도 분광 스캐터로미터, 분광 엘립소미터 및 분광 리플렉토미터의 특징들을 결합한다. 분광 리플렉토미터 또는 분광 엘립소미터는 필름 모델을 사용하여 회절 구조를 포함하는 층의 필름 두께를 측정하고 나서, 후술되는 바와 같이 회절 구조와 관련된 파라미터의 결정을 위해 접촉 홀들(13)의 어레이로부터 회절된 방사선의 스펙트럼들을 측정하는데 사용될 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼(12)는 실리콘 기판(12a), 필름 내의 접촉 홀들의 어레이와 같은 내부에 2차원 회절 구조를 갖는 기판 상의 (포토레지스트 패턴과 같은) 필름(12b)을 포함할 수 있고, 여기서 상기 필름은 적어도 부분적으로 광-투과성이 있고, 일정한 필름 두께(h) 및 굴절 지수(n 및 k, 상기 지수의 실수 및 허수 성분들)을 갖는다.

XYZ 단(14)은 렌즈들과 관련하여 웨이퍼의 위치를 정하기 위해 수평 XY 방향들에서 웨이퍼를 이동시키는데 사용된다. 단(14)은 또한 후술되는 바와 같이 웨이퍼(12)의 z 높이를 조정하는데 사용된다. 도2를 참조하면, 백색 광원(22)과 같은 광대역 방사선 소스(또는 단일 또는 다중 파장들의 방사선을 제공하는 소스)는 편광을 랜덤화하고 웨이퍼에 조사하기 위한 균일한 광원을 생성하는 광섬유 광 케이블(24)을 통해 광을 공급한다. 바람직하게도, 소스(22)는 적어도 230 내지 800nm의 범위 내의 파장들을 갖는 전자기 방사선을 공급한다. 섬유(24)로부터 출현할 시에, 방사선은 슬릿 구조 및 초점 렌즈(도시되지 않음)를 포함할 수 있는 광 일루미네이터(optical illuminator)를 통과한다. 슬릿 구조는 출현한 광 빔이 제어될 수 있는 차원들의 층(12b)의 어레이에 상을 만들도록 한다. 일루미네이터(26)로부터 출현한 광은 P- 또는 S-편광을 갖는 것과 같은 층(12b)을 조사하는 편광된 샘플링 빔(30)을 생성하기 위하여 편광기(28)에 의해 편광된다.

층(12b)에 의해 반사되는 샘플링 빔(30)으로부터 발생된 방사선은 분광 기(32)를 통해 분광계(34)로 통과되어 반사된 방사선의 여러 스펙트럼 성분들을 검출한다. 분광 엘립소미터의 보다 상세한 설명에 대해서는, 전체적으로 본원에 참조되어 있는 1997년 3월 4일자로 발행된 미국 특허 번호 5,608,526호를 참조하라.

필름 두께를 측정하기 위한 시스템(10)의 분광 엘립소메트리 모드에서, 편광기(28) 또는 분광기(30) 중 하나(또는 이들 둘 모두)는 분광계(34)가 방사선 소스(22)의 스펙트럼 내의 파장들과 같은 다수의 파장들에서 반사된 광을 검출하고 있을 때, (편광기 및 분광기 사이의 상대적인 회전 운동을 발생시키기 위하여) 회전되는데, 여기서 상기 회전은 당업자들에게 공지된 방식으로 컴퓨터(40)에 의해 제어된다. 측정된 여러 파장들에서의 반사된 강도들은 이하에 더 상세히 설명된 방식으로 층(12b)(또는 층(12b)과 유사하지만, 내부에 홀들을 갖지 않는 층)의 필름 두께 및 n 및 k의 굴절 지수 값을 계산하는 컴퓨터(40)에 공급된다. 층(12b)과 유사하지만 내부에 홀들을 갖지 않는 층의 필름 두께 및 n 및 k 굴절 지수 값은 당업자들에게 공지된 방식으로, 또는 미국 특허 번호 5.608,526호에 설명된 바와 같이 도출될 수 있다.

분광 엘립소메트리가 필름 두께를 측정하는데 바람직할 수 있지만, 일부 애플리케이션들에서 (스펙트로리플렉토미터 및 스펙트로포토미터로서 또한 공지되어 있는) 분광 리플렉토미터가 필름 두께를 측정하는데 적합할 수 있다. 이 목적을 위하여, 렌즈(23)는 소스(22)로부터 방사선을 수집하여 빔 스플리터(beam splitter)(52)에 지향시키는데, 상기 빔 스플리터는 방사선을 층(12b)에 포커싱하는 초점 렌즈(54)를 향해 인입 빔의 부분을 반사시킨다. 층(12b)에 의해 반사된 광 은 렌즈(54)에 의해 집광되고, 빔 스플리터(52)를 통해 분광 리플렉토미터(60) 내의 스펙트로미터로 통과한다. 측정된 단일 또는 여러 파장들에서의 스펙트럼 성분(들)이 측정되고, 이와 같은 성분들을 나타내는 신호들이 예를 들어, 미국 특허 5,747,813에서 설명된 방식으로 필름 두께 및 굴절 지수를 결정하기 위하여 컴퓨터(40)에 제공된다. 분광 리플렉토미터 및 분광 엘립소미터 이외의 분광 디바이스들, 또는 편광계들, 단파장 엘립소미터들 또는 리플렉토미터들과 같은 다른 디바이스들이 층(12b)의 플름 두께를 측정하는데 사용될 수 있고, 본 발명의 범위 내에 존재한다.

층(12b)의 필름 두께를 결정하는데 사용될 수 있는 이와 같은 분광 디바이스들의 다른 예들로는 Santa, Clara, Calif 소재의 n & k Technology Inc.의 n & k Analyzer이 있고, PennWell 출판사에 의해 출판된 고체 상태 기술의 1995년 8월판에서 재인쇄된 Ibok 등에 의한 "Optical characterization of Amorphous and Polycrystalline Silicon Films"; Forouhi 등에 의한 1986년 11월 15일자의 "Optical Dispersion Relations for Amorphous Semiconductors and Amorphous Dielectrisc", Physical Review B, vol.34, no.10, pp7018-7026; Forouhi 등에 의한 1988년 7월 15일자의 "Optical Properties of Crystalline Semiconductors and Dielectrics", Physical Review B, vol.38, no.3, pp1865-1874 및 미국 특허 번호 4,905,170에 설명되어 있다.

분광 엘립소미트리 측정에서 적절한 초점을 달성하도록 편광계(28), 분광기(32)에 대해, 또는 스펙트로레플렉토미터 측정에서 초점 렌즈(54) 및 분광 리플 렉토미터(60)에 대해 웨이퍼(12)의 높이를 조정하기 위하여, 웨이퍼의 높이는 측정 이전에 단(14)에 의해 조정될 필요가 있을 수 있다. 이 목적을 위하여, 층(12b)에 의해 반사되고 렌즈(54)에 의해 수집된 방사선의 일부는 반사된 이미지를 패턴과 비교하기 위하여 빔스플리터(62)에 의하여 포커싱 및 패턴 인식 블록(64)을 향해 반사된다. 그 후, 블록(62)은 상기 비교와 관한 정보를 단(14)을 제어하는 컴퓨터(40)에 전송한다. 단(14)은 차례로, 웨이퍼(12)를 시스템(10)의 광 성분들에 대한 적절한 높이로 이동시키기 위하여 수직 또는 Z 방향에서 위 또는 아래로 웨이퍼(12)를 이동시킨다.

홀들(13)의 어레이로부터의 회절은 상술된 바와 같이 도2의 장치 또는 시스템(10)을 사용하여 측정될 수 있다. 일단 필름(12b)의 필름 두께가 측정된 회절로부터 획득되면, 층(12b)에 대한 구조 모델을 간소화하기 위하여 필름 두께 값을 사용하여 컴퓨터(40)에 의해 기준 데이터베이스(reference database)가 이제 구성될 수 있다. 그 후, 회절 구조들에 속하는 파라미터들이 동일한 데이터로부터 도출될 수 있고, 상기 동일한 데이터로부터 (또는 대안적으로, 도2의 장치를 사용한 별도의 측정에서 획득된 구조들의 회절 데이터로부터) 필름 두께가 획득된다. 기준 데이터베이스 대신에, 고정된 파라미터로서, 또는 플림 두께가 회절 구조의 파라미터와 함께 플로팅되는 파라미터 추정 프로세스에서의 시드 값으로서 획득되는 이전의 필름 두께 값을 사용하여 선형 또는 비-선형 최적화 프로세스가 또한 수행될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 선형 또는 비-선형 최적화 프로세스는 또한 기준 데이터베이스와 함께 사용될 수 있다.

시스템(10)에 의해 측정되는 반사도가 홀 직경(D)의 변화들의 결과로서 일정 파장 범위들 내에서 상당히 변화되지 않는다는 것이 발견되었다. 이것이 도3A-3C에 도시되어 있다. 예를 들어, 홀 직경이 120나노미터 정도이며, 접촉 홀 어레이가 240 나노미터의 피치를 갖는 도3A의 실선으로 도시된 바와 같이, 시스템(10)에 의해 측정된 반사도는 홀 직경이 5나노미터까지 만큼 변화할 때 실질적으로 동일하게 유지된다. 도3A에서, 점선 곡선은 S-편광 성분들의 반사도 곡선이고, 실선 곡선은 5 나노미터 홀 직경 변화에 기인한 반사도의 변화이다. 홀들의 어레이가 약 240nm의 피치, 약 120nm의 홀 직경을 가지는 도3A로부터 명백한 바와 같이, 반사도는 500 나노미터 이상의 파장들에서 5 나노미터까지의 홀 직경 변화에도 불구하고, 실질적으로 일정하게 유지된다. 도3B 및 3C는 약 150 나노미터의 홀 직경 및 약 300 나노미터의 피치(도3), 및 약 180 나노미터의 홀 직경 및 약 360 나노미터의 피치(도3C)에 의한 동일한 현상들을 도시한다. 도3B 및 3C 각각에서, 다시, 점선 곡선은 S-편광 성분의 반사도를 나타내고, 실선 곡선은 5 나노미터 직경 변화에 기인한 반사도의 변화를 나타낸다. 도3A-3C에서, 파라미터 CD, 즉, 크리티컬 디멘젼은 접촉 홀들(13)의 파라미터이다.

상기로부터, 층(12b)의 두께 또는 높이의 적정한 추정치를 획득하기 위하여 필름 모델을 사용할 수 있다는 것이 명백하며, 여기서 상기 필름 모델은 홀 직경을 파라미터화하지 않고 변화시키지 않는다. 이것은 특히 필름 모델이 스펙트럼의 레드(red) 및 근적외선 부분, 또는 도3A-3C에 도시된 바와 같이 약 500 나노미터 이상과 같은 어떤 제한된 파장 범위에 걸쳐서만 구성되는 경우에 그러하다. 구조(들) 자체들과 관련된 파라미터들이 모델에서 변화되지 않을지라도, 필름 내에 또는 필름 부근에 어떤 회절 구조(들)가 존재하는 것으로 인한 영향을 고려하기 위하여 변경되었던 필름 모델들을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 내부에 회절 격자들을 갖는 필름들의 두께를 계산하기 위한 필름 모델들은 당업자들에게 공지되어 있고 본원에 상세히 설명되지 않을 것이다. 이와 같은 필름 모델에 관한 부가적인 세부사항들에 대해서는 "Charles W, Haggans 등에 의한 1993년 10월 19일자의 "Effective-Medium Theoryof Zeroth-Order Lamellar Gratings in Conical Mountings", J. Opt. Soc. Am. A, Volume 10, No.10, Pages 2217-2225; Lalanne 등에 의한 1998년 7월 7일자의 "High-Order Effective-Medium Theroy of Subwavelength Gratings in Classical Mounting: Application to Volume Holograms", J. Opt, Soc. Am. A, Volume 15, No.7, Pages 1843-1851; P. Lelanne에 의한 1996년의 "On the Effective Medium Theory of Subwavelength Periodic Structures", Journal of Modern Optics, Volume 43, No.1o, Pages 2063-2085; 및 1998년 6월자의 "Effective Medium Theoryof Two-Dimensional Subwavelength Grathings in the Non-Quasi Static Limit", J. Opt. Soc. Am. A, Volume 15, No. 6, Pages 1577-1585를 참조하라.

필름 모델을 사용하면, 도1A 및 1B의 층(12b)의 두께는 리그레션 알고리즘(regression algorithm)을 사용하여 발견될 수 있다. 리그레션 알고리즘들은 당업자들에게 공지되어 있고 본원에 상세히 설명되지 않을 것이다. 리그레션 방법의 설명에 대해서는 Harland G, Tompkins 및 William A. McGahna에 의한 "Spectroscopic Ellipsometry and Reflectometry: A User's Guide", John Wiley & Sons, Inc., New York, 1999, Pages 101-107을 참조하라.

도4A는 층 두께의 기준 값을 제공하기 위하여 층(12b)과 유사하지만, 내부에 접촉 홀들을 갖지 않는 층이 측정될 때, 스펙트럼에 걸쳐 엘립소메트릭 파라미터(α)의 플림 모델에 의해 계산되는 값들 및 측정된 값들의 비교를 도시한 그래픽도이다. 엘립소메트릭 파라미터들(α 및 β)의 설명에 대해서는 Bernoux 등에 의한 "Ellipsometries" Techniques de l'Ingenieur, R6490. pp1-16(1990)를 참조하라. 도4A에 도시된 바와 같이, α의 측정된 값들은 적은 점선으로 도시되어 있고, 모델에 의해 측정된 값들은 더 많은 점선으로 도시되어 있다. 도4A에 도시된 바와 같이, 측정된 값들 및 모델에 의해 예측된 값들이 부합하며 실질적으로 동일하다. 이것은 도4B 및 4D에 도시된 바와 같이, P-편광 성분의 반사도 및 β의 엘립소메트릭 파라미터에 대해서도 그러한 것으로 나타난다. S-편광 성분들의 반사도에 관하여, 측정된 값들(102)은 예측된 값들에서 나타나지 않는 450 및 500 나노미터 파장들 사이에서 적은 양의 발진을 나타내고 500 내지 600 나노미터 파장의 범위 내의 모델에 의해 예측되는 것들(104)보다 다소 더 높다. 이와 같은 편차 이외에, 반사도들 및 엘립소메트릭 파라미터들의 실제 측정된 값들은 필름 모델에 의해 측정된 것들과 실질적으로 부합한다. 도4A-4B에 도시된 결과들에서, 굴절 지수 변수들(n 및 k)은 또한 두께를 변화시키는 동안 필름 모델에서 변화된다. 리그레션에 의해 도달된 두께는 3967 옹스트롬이다.

도5A-5D는 내부에 접촉 홀들을 갖는 층(12b)이 측정될 때, S- 및 P-편광 성 분들의 반사도들 및 엘립소메트릭 파라미터들(α 및 β)의 변경된 필름 모델에 의해 예측되는 값들 및 측정된 값들의 비교를 그래픽으로 도시한다. 도5A-5D에 도시된 결과들에서, 유효 굴절 지수 변수(n 및 k) 이외에, 층(12b)의 두께가 또한 모델에서 변화된다. 그러나, 직경 또는 홀 프로파일과 같은 접촉 홀들과 관련된 파라미터들은 변화되지 않는다. 한편으로는 도4A-4D 간의 비교, 및 다른 한편으로는 도5A-5D 간의 비교로부터 명백해지는 바와 같이, 그래픽도의 양 세트들에서의 모델에 의해 예측된 값들 및 측정된 값들은 실질적으로 동일하다. 도4C 및 5C의 측정된 값들(112)은 400 내지 500nm 사이에서 실질적으로 동일한 발진 동작을 나타내고, 500 및 600nm 사이에서 예측된 값들(114)보다 약간 더 높다.

도5A-5D에 도시된 구조 모델 및 측정들로부터 리그레션에 의해 획득된 층(12b)의 두께는 내부에 홀들을 갖지 않는 필름 패드의 측정으부터 획득된 3967 옹스트롬 값에 가까운 3970.08 옹스트롬이다. 이것은 실제로 층 내에 회절 구조들이 존재하는 것을 고려한 층(12b)의 변경된 모델을 사용하여 획득된 두께가 내부에 접촉 홀들을 갖지 않는 필름을 측정하는 것으로부터 획득된 두께와 부합한다는 것을 증명한다. 변경된 모델에서, 변화되는 굴절 지수 파라미터들(n 및 k)은 도2의 시스템(10)에 의해 알 수 있는 바와 같이, 내부에 접촉 홀들(13)을 갖는 층(12b)에 대한 유효 값들이며, 층(12b) 내의 재료의 굴절 지수 값과 상이할 수 있다. 상술된 바와 같이, 정확도를 개선시키기 위하여, 단지 레드 또는 근적외선 파장들, 또는 500nm 이상, 또는 반사도가 회절 구조의 디멘젼 또는 프로파일의 변화들에 의해 영향을 덜 받는 다른 파장 범위들에서의 데이터와 같은 제한된 파장들의 범위에서의 측정된 데이터 및 모델에 적용될 수 있다.

도6A-6D는 내부에 접촉 홀들을 갖는 층(12b)이 측정될 때, S- 및 P- 편광 성분들의 반사도들 및 엘립소메트릭(α 및 β)의 변경된 필름 모델에 의해 예측된 값 및 측정된 값들의 비교를 그래픽으로 도시한다. 도6A-6D에 도시된 결과들에서, 유효 굴절 지수 변수들(n 및 k)이 아니라, 층(12b)의 두께가 모델에서 변화된다. 한편으로는 도5A-5D 간의 비교, 및 다른 한편으로는 도6A-6D 간의 비교로부터 명백해지는 바와 같이, 유효 굴절 지수 변수들(n 및 k)을 변화시킴이 없이 두께만을 변화시키는 것(도6A-6D)이 유효 굴절 지수 변수들(n 및 k)이 또한 변화되는 것(도5A-5D)보다 더 양호하지 않은 결과들을 발생시킨다. 도6A-6D에 도시된 바와 같이, 측정된 값들(202, 212, 222, 232)은 변경된 모델에 의해 예측된 값들(204, 214, 224, 234)에 가깝지만, 다수의 파장 범위들에서 상기 값들(204, 214, 224, 234)과 부합하지 않는다. 그러므로, 두께만을 변화시키는 것이 일부 애플리케이션들에 적합할 수 있지만, 유효 굴절 지수 변수들(n 및 k)을 또한 변화시키는 것이 바람직하다.

도7은 내부에 홀들을 갖지 않는 층(12b)과 유사한 필름에 대한 n 및 k의 리그레스된 값들의 비교를 도시한 그래픽도이다. 도7에 도시된 바와 같이, 내부에 홀들을 갖지 않는 필름에 대한 n 및 k의 값들(302 및 312)은 내부에 홀들을 갖는 층(12b)에 대한 값들(304 및 314)과 상이하다. 상술된 층 두께를 도출하는 리그레션 프로세스는 또한 n 및 k에 대한 값들을 산출할 수 있다. 그러므로, 일부 애플리케이션들의 경우에, 필름에 대한 상술된 리그레션 프로세스에서 획득된 n 및 k에 대한 값들은 내부에 홀들을 갖는 층(12b)에 대한 값들과 상당히 상이하여, 나중에 홀 어레이로부터 회절에 대한 모델을 구성하는데 사용될 필요가 있는 변수들의 수를 더 감소시키는데 상기 값들이 도움이 되지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 필름에 대한 n의 리그레스된 값들이 격자에 대한 값들과 많은 량만큼 상이하지 않아서, 일부 애플리케이션들의 경우에, 접촉 홀 어레이로부터 회절을 모델링할 시에 변화되어야 하는 모델 파라미터의 수를 더 감소시키기 위하여 층 두께를 획득할 시에 상기 프로세스에서 획득된 n의 리그레스된 값을 사용하는 것이 가능할 수 있다는 것이 관측되었다. 대안적으로, 층(12b)의 두께가 (예를 들어, 안정된 제조 프로세스에서) 양호하게 설정될 때, 유효 매체 이론을 통합하는 필름 모델을 사용하여 도출되는 지수 값들(n 및 k)은 회절 구조의 프로파일 파라미터들 중 일부(예를 들어, 홀 직경)에 대한 선형 또는 비선형 최적화 프로세스에서 시드 또는 시작 값들을 발생시키는데 사용됨으로써, 이 프로세스의 수렴(convergence)을 가속화할 수 있다.

층 두께(및 선택적으로 또한 n의 값)의 추정치가 상술된 바와 같이 획득된 후, 내부에 홀들을 갖는 층(12b)으로부터의 회절의 검출된 신호 스펙트럼들을 갖는 모델이 그 전체가 본원에 참조되어 있는 미국 특허 번호 6,590,656호에서 보다 상세히 설명된 방식으로 구성된다. 동일한 회절 데이터가 회절 구조에 속하는 필름 두께 및 파라미터들 둘 모두의 개별적이고 순차적인 도출에 사용되는 실시예에서, 이와 같은 파라미터는 그 후에 이와 같이 획득된 필름 두께를 사용하여 도출된다. 회전 구조들에 속하는 파라미터들이 두께 도출에 사용되는 데이터들과 상이한 데이터로부터 획득되는 또 다른 실시예에서, 도2의 시스템(10)은 층에 조사 빔을 지향 시키고, 단파장에서 검출이 일부 애플리케이션들에 적합할 수 있을지라도, 미국 특허 번호 6,590,656호에 보다 상세히 설명된 방식으로 바람직하게는 다수의 파장들에서 층으로부터 0차 회절을 검출함으로써 층(12b) 내의 홀들(13)의 어레이로부터 회절된 방사선을 다시 측정하기 위하여 그 후에 사용된다. 실시예들 둘 모두에서, 리그레션 알고리즘이 그 후에 피치, 크리티컬 디멘젼(홀들의 직경 또는 라인들의 폭), 측벽 각도 또는 프로파일과 같은 회절 구조에 관련된 파라미터들의 값들을 찾아내기 위하여 추정된 층 두께(및 선택적으로 또한 n의 값)를 사용하는 구성된 모델 및 측정된 데이터에 인가된다. 리그레션 알고리즘에 의해 변화되는 파라미터들은 회절 구조에 관한 파라미터들을 포함하며, 층(12b)의 두께를 포함하지 않는다. 유효 n 및 k(또는 단지 k)의 값들이 층 두께를 추정하는 프로세스로부터 인지되지 않는 경우에, n 및 k(또는 단지 k)는 또한 상기 프로세스에서 변화되는 파라미터들로서 포함될 수 있다. 회전 구조에 관련된 파라미터들을 찾아내기 위한 모델들은 둘 모두가 전체적으로 본원에 참조되어 있는 미국 특허 출원들의 일련 번호 09/741,633호의 "Parametric Profiling Using Optical Spectroscopic Systems", 및 2000년 9월 27일자로 출원된 일련 번호 09/671,715호의 "Improved System for Scatterometric Measurements and Applications"에 설명되어 있다. 이러한 파라미터들의 값들은 시스템(10)에 의해 측정되는 엘립소메트릭 파라미터 데이터 또는 강도 중 하나를 사용하여 찾아낼 수 있다.

2개의 실시예들이 도8에 도시되어 있다. 도8에 도시된 바와 같이, 다수의 파장들의 전지기 방사선의 빔은 주기적인 회절 구조를 포함하는 층을 갖는 샘플에서 지향된다. 상기 회전 구조로부터 상기 다수의 파장들에서의 빔의 회절이 검출된다. 층의 필름 모델을 사용하는 층의 두께에 대한 값이 검출된 회절 또는 상기 구조가 빔에 의해 조사되고 상기 구조에 의한 빔의 회절이 데이터를 획득하기 위하여 검출되는 별도의 측정에서 검출된 데이터 중 하나로부터 발견된다. 상기 회절 구조와 관련된 하나 이상의 파라미터들은 검출된 회절 및 두께 값을 사용하여 결정된다.

제1 단계에서 획득된 필름 두께에 대한 정보는 격자 프로파일 파라미터 추정 프로세스 이전 또는 그 프로세스 동안, 광 조사와 집광 각도들 및 개구 크기들이 회절 구조의 측정에 최적이라는 것을 검증하는데 사용될 수 있다. 일부 다층 필름 조건들의 경우에, 격자 프로파일 파라미터들을 결정하기 위한 대부분의 감광성 조건들이 필름 두께에 따라 변화할 수 있다. 제1 파라미터 추정 단계에서 도출된 필름 두께에 기초하여, 그리고 조정 가능하거나 선택 가능한 각도들 및 개구 크기들을 통합하는 측정 시스템의 경우에, 광 조사 및 집광 각도들 및 개구 크기들은 제1 단계와 동일한 장소 또는 동일한 웨이퍼 상의 다른 장소, 또는 다른 웨이퍼 중 하나에 대한 나중의 분광 및 각도 측정 데이터의 감도를 최대화하도록 조정되거나 선택될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예를 참조하여 상술되었지만, 첨부된 청구항들 및 이들의 등가물들에 의해서만 규정되어야 하는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 변화들 및 변경들이 행해질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 실시예들이 홀들의 2-차원 어레이와 관련된 파라미터들을 측정하는 것에 대해 설명되었지만, 동일한 실시예들은 기둥들, 격자 라인들의 2-차원 어레이, 또는 홀들의 1-차원 어레 이와 같은 다른 격자 구조들과 관련된 파라미터들을 측정하는데 사용될 수 있다. 본원에 언급된 모든 참조문헌들이 전체적으로 참조된다.

Claims

주기적인 회절 구조를 포함하는 층을 갖는 샘플을 측정하는 방법에 있어서:

상기 주기적인 회절 구조에서 다수의 파장들의 전자기 방사선의 제1 빔을 지향시키는 단계;

상기 회절 구조로부터 상기 다수의 파장들에서 상기 제1 빔의 회절을 검출하는 단계;

상기 층의 필름 모델을 사용하여 상기 층의 두께에 대한 값을 찾아내는 단계; 및

검출된 회절 및 상기 두께 값을 사용하여 상기 회절 구조와 관련된 하나 이상의 파라미터들을 결정하는 단계를 포함하는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 리플렉토미터 또는 엘립소미터를 사용하는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 분광 리플렉토미터 또는 분광 엘립소미터를 사용하는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 주기적인 회절 구조의 반사도가 이와 같은 영역 외부에 있는 파장들에서의 이와 같은 변화들보다 상기 구조의 디멘젼 또 는 프로파일의 변화에 덜 민감한 선택된 파장들의 범위 내의 데이터로 제한된 데이터를 사용하는 필름 모델을 사용하는 샘플 측정 방법.
제4항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 레드 및 근적외선 범위들 내의 파장들의 데이터로 제한된 데이터를 사용하는 필름 모델을 사용하는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 주기적인 회절 구조의 반사도가 선택된 파장들과 상이한 파장들에서의 이와 같은 변화들보다 상기 구조의 디멘젼들 및 프로파일의 변화들에 덜 민감한 선택된 파장들에서의 데이터로 제한된 데이터를 사용하는 필름 모델을 사용하는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는:

상기 주기적인 회절 구조의 적어도 일부를 포함하는 상기 층의 섹션에서 다수의 파장들의 전자기 방사선의 제2 빔을 지향시키는 단계; 및

상기 층의 섹션에 의해 변경된 후 제2 빔의 강도 또는 엘립소메트릭 데이터를 검출하는 단계를 포함하는 샘플 측정 방법.
제7항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 회절 구조의 디멘젼들 및 프로파일과 관련된 파라미터가 아니라, 상기 층의 두께 및 반사 지수들을 포함하는 파라미터들을 사용하는 필름 모델을 사용하는 샘플 측정 방법.
제8항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 상기 층의 반사 지수들과 관련된 파라미터들의 값들을 변화시키는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 검출된 회절로부터 두께 값을 찾아내는 샘플 측정 방법.
제10항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 회절 구조의 디멘젼들 또는 프로파일과 관련된 파라미터가 아니라, 상기 층의 두께 및 굴절 지수들을 포함하는 파라미터들을 사용하는 필름 모델을 사용하는 샘플 측정 방법.
제11항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 상기 층의 굴절 지수들과 관련된 파라미터들의 값들을 변화시키는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 회절 구조의 디멘젼들 또는 프로파일과 관련된 파라미터가 아니라, 상기 층의 두께 및 굴절 지수들을 포함하는 파라미터를 사용하는 필름 모델을 사용하는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 상기 층의 굴절 지수들과 관련된 파라미터들의 값들을 변화시키는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 상기 회절이 검출되는 구조의 적어도 일부를 포함하는 상기 층의 섹션을 측정함으로써 두께에 대한 값을 찾아내는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 결정하는 단계는 두께 값을 사용하는 리그레션 알고리즘을 적용하는 단계를 포함하는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 결정하는 단계는 상기 회절 구조와 관련된 하나 이상의 파라미터들을 결정하는 리그레션 알고리즘을 적용하는 단계를 포함하는 샘플 측정 방법.
제17항에 있어서, 상기 리그레션 알고리즘은 회절 구조의 디멘젼들 및/또는 프로파일에 속하는 파라미터들만의 값들을 변화시키고, 변화되는 상기 파라미터는 상기 층의 두께를 포함하지 않는 샘플 측정 방법.
제18항에 있어서, 변화되는 상기 파라미터는 상기 구조의 폭 또는 직경 및 측벽 각도와 관련되는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 검출하는 단계는 회절로부터 강도 또는 엘립소메트릭 데이터를 검출하고, 상기 결정하는 단계는 상기 검출된 강도 또는 엘립소메트릭 데이터를 사용하여 상기 회절 구조와 관련된 하나 이상의 파라미터들을 결정하는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 결정하는 단계는 두께 값을 사용하여 기준 데이터베이스를 구성하는 단계를 포함하는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 결정하는 단계는 두께 값을 고정된 파라미터로서 사용하는 선형 또는 비선형 최적화 프로세스를 더 포함하는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 결정하는 단계는 두께 값이 회절 구조의 파라미터들을 따라 플로팅되는 파라미터 추정 프로세스에서 두께 값을 시드 값으로서 사용하는 선형 또는 비선형 최적화 프로세스를 포함하는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 또한 필름 모델을 사용하여 상기 층의 굴절 지수의 값(들)을 찾아내는 샘플 측정 방법.
제24항에 있어서, 상기 결정하는 단계는 회절 구조의 파라미터들 중 일부에 대한 선형 또는 비선형 최적화 프로세스에서 시드 또는 시작 값들을 발생시키기 위하여 상기 층의 굴절 지수 값(들)을 사용함으로써, 상기 프로세스의 수렴을 가속화 하는 단계를 포함하는 샘플 측정 방법.
제1항에 있어서, 회절 구조의 파라미터들의 변화에 대한 데이터의 감도를 최대화하기 위해, 두께 값에 응답하여, 상기 검출하는 단계를 위한 수집 각도 및/또는 제1 빔의 광 조사 각도 및/또는 개구 크기(들)를 조정하거나 선택하는 단계를 더 포함하는 샘플 측정 방법.
제26항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 상기 지향시키는 단계 및 상기 검출하는 단계보다 선행하고, 상기 주기적인 회절 구조의 적어도 일부를 포함하는 상기 층의 섹션의 두께 값을 찾아내며, 상기 지향시키는 단계 및 상기 검출하는 단계는 상기 섹션 또는 상기 주기적인 회절 구조의 적어도 일부를 포함하는 상기 층의 상이한 섹션으로부터 검출하는 샘플 측정 방법.
제26항에 있어서, 상기 찾아내는 단계는 상기 지향시키는 단계 및 상기 검출하는 단계보다 선행하고, 상기 주기적인 회절 구조의 적어도 일부를 포함하는 상기 층의 섹션의 두께 값을 찾아내며, 상기 지향시키는 단계는 두께 값이 발견되는 구조와 상이한 주기적인 회절 구조를 포함하는 층의 섹션으로 제1 빔을 지향시키고, 상기 검출하는 단계는 두께 값이 발견되는 구조와 상이한 주기적인 회절 구조를 포함하는 층의 섹션으로부터 검출하는 샘플 측정 방법.