光學相位測量方法和系統的制作方法
【專利說明】光學相位測量方法和系統
【背景技術】
[0001] 隨著半導體技術的進步，縮小器件尺寸變成越來越復雜的任務。補充計量工具，允 許測量能力的類似改進，對于這種發展的連續進程至關重要。
[0002] 光學計量能夠獲取關于對具有小尺寸的圖案特征（臨界尺寸）的圖案化結構進行 表征的幾何和材料性質的高度精準的信息。幾個物理量通常由光學計量來測量并且尤其由 光學臨界尺寸（OCD)技術來測量。例如，光學反射測量法在單個（或一小組）入射方向和 不同的偏振之上測量寬光譜的反射強度。此外，橢圓測量法允許訪問關于在不同的偏振狀 態之間的相對相位的信息。
[0003] 從圖案化結構中散射的光的另一個重要屬性是其相位，即，在入射與反射光束之 間的相對相位。可以使用各種干涉測量技術測量這個相位。這些方法基于將光束分成兩個 部分，使得僅僅一個部分與樣品相互作用（從樣品中反射）。然后，反射光與光束的未與樣 品相互作用的第二部分（"參考光束"）重新干涉，并且精確地控制由這兩個部分穿過的光 路長度的差值。然后，由這兩個光分量的干涉在檢測平面內形成的干涉圖案用于提取光譜 相位。
[0004] 用于測量相位的現有方法（包括干涉測量）非常精巧，需要具有基準的特殊測 量設備，并且對環境（例如，系統振動）非常敏感。因此，這些方法無法常規地用于在線 (in-line) OCD計量，而是習慣使用反射測量法和橢圓測量法的更穩健的方法。
【發明內容】
[0005] 在本領域中需要一種用于在具有小的圖案特征的圖案化結構上的光學測量中的 新型方法。如上所述，從圖案化結構中反射/散射的光的重要屬性是其相位，即，在入射與 反射光束之間的相對相位或相移。這種相移因入射光與結構的不同區域（例如，不同地圖 案化的區域、圖案化以及未圖案化的區域、具有不同材料層的區域等）的相互作用而不同。
[0006] 進一步，相移因不同波長的入射光而不同，并因此，可以呈現光譜相移。圖1示意 性示出了"光譜相位"效應的原理。如圖所示，具有不同波長λ^ρ λ 2的兩個光束入射在 包括圖案化結構的兩個不同區域（圖案化結構通常可以包括不同的圖案化以及未圖案化 區域）的相同的照明點上，并且分別以不同的相移A φ (A1)和Δ φ (λ2)從這些不同區域 中反射。然而，應理解的是，在將單個照明波長λ用于照明兩個不同的區域時，相移Acp(X1) 和Δφ(λ2)不同，這是因為不同的區域引起不同的效應。這些相移攜帶了關于結構的性質的 重要信息。因此，一般而言，結構的兩個（或多個）不同區域的照明引起入射光與結構之間 的兩個（或多個）不同的相互作用，產生表示結構的性質的不同相移。
[0007] 本發明提供了一種新型測量方法和系統，用于在圖案化結構上的光學測量。本發 明的技術提供了一種新型方法，用于測量在入射光束與其反射之間的相對相位（即，相位 響應，例如，光譜相位）以及該能力的幾個具體實現方式。這種新型方法是所謂的根據由結 構的不同區域的光響應對某種照明（可以是單個或多個波長）的干涉形成的干涉圖案的檢 測，并且分析檢測的光，以確定相移，從而能夠提取關于結構的數據的"自干涉"方法。
[0008] 這種技術可以實現用于各種波長，并且可以生成每個波長的全光譜相位差，在此 處稱為"光譜相位"，可以用作光學表征的極為有價值的信息（且對于OCD計量重要）。具 體而言，本技術具有抵抗系統振動的固有穩健性，避免其他干涉測量系統通常具有的測量 不準確性的主要原因。
[0009] 應注意的是，在本文中使用的術語"圖案化結構"實際上是指分層結構，其中，結構 的表面具有不同區域。術語"不同區域"分別是指圖案化和未圖案化（均質）區域、和/或 具有不同圖案的區域、和/或具有以及沒有某個（些）層/膜的區域。
[0010] 還應注意的是，在以下描述中，術語"測量點"是指從在結構上的照明點上反射的 并且攜帶測量數據的檢測光。測量點實際上是入射光與結構在照明點內以及由所檢測的在 檢測器上的照明點的反射形成的點（檢測或成像點）內的相互作用的結果。因此，通過測 量點進行光學測量，該測量點被配置為使得檢測點由照明點的光反射形成，該照明點至少 部分覆蓋結構的至少不同類型的區域。
[0011] 因此，根據本發明的一個廣義方面，提供了一種用于在圖案化結構上進行光學測 量的方法。所述方法包括：通過測量點在結構上進行大量光學測量，所述測量點被配置為提 供從至少部分覆蓋所述結構的至少兩個不同區域的照明點反射的光的檢測；所述測量包括 檢測從測量點內的所述至少兩個不同區域的所述至少一部分反射的光的檢測，所檢測的光 包括從所述至少兩個不同區域的所述至少部分反射的至少兩個復合電場的干涉，因此，表 示所述結構的相位響應，攜帶關于所述結構的性質的信息。
[0012] 照明包括垂直或傾斜入射模式或者它們二者。
[0013] 優選地，為了改善相位數據的提取，利用相同的測量點配置（例如，相同大小的照 明點），但是覆蓋的該結構的至少兩個不同類型的區域不同，來進行多于一個的測量。這能 夠進行差分相位測量。
[0014] 根據本發明的另一個方面，提供了一種用于在圖案化結構上進行測量的系統，所 述系統包括光學測量裝置，其包括：
[0015] 照明單元，其被配置和可操作用于將光聚焦在結構上的至少部分覆蓋所述結構的 至少兩個不同區域的照明點上，從而使光從所述至少兩個不同區域中的反射；以及
[0016] 光檢測單元，其收集包括所述至少兩個不同區域的所述至少部分的光反射的光， 因此，所收集的光包括由從所述至少兩個不同區域反射的至少兩個復合電場的干涉形成的 干涉圖案，因此，表示所述結構的相位響應，攜帶關于所述結構的性質的信息。
[0017] 如上所述，優選地，利用至少部分覆蓋的所述結構的所述至少兩個不同區域不同 來進行至少兩個光學測量。順次或者并行（使用檢測單元中的位置敏感傳感器）進行至少 部分覆蓋的所述結構的所述至少兩個不同區域不同的所述至少兩個光學測量。
[0018] 在一些實施方式中，利用兩個不同波長的照明來進行測量。在一些實施方式中，利 用數個波長的照明來進行測量，因此，所檢測的光表示所述結構的光譜相位響應。檢測的光 可以為位置和波長相關信號的形式。
[0019] 在一些實施方式中，照明點的大小與由所檢測的光形成的點明顯不同。
[0020] 光學測量裝置通常被配置為與控制單元進行數據通信。控制單元被配置和可操作 用于處理表示檢測的光響應的數據，并且確定從所述至少兩個不同區域反射的光的相對相 位，從而能夠確定所述結構的性質。
[0021] 控制單元可以使用表示影響所述檢測的相位響應的混合系數的數據，用于確定所 述相對相位。可以作為已知的數據提供混合系數，或者可以在測量期間計算混合系數。
[0022] 例如，在利用測量點的偏移位置的同時進行至少兩個光學測量，從而可控制地修 改影響所述檢測光響應的混合系數的值，并且在所述檢測的相位響應中提高關于結構的信 息的量。可選地或附加地，利用至少一個測量條件的不同值來進行至少兩個光學測量，從而 可控制地修改所述檢測的相位響應，并且在所述檢測的相位響應中提高關于結構的信息的 量。
[0023] 在一些實施方式中，所述光學測量裝置被配置和可操作用于在所述檢測的光響應 中分尚TE與TM偏振分量。
[0024] 根據本發明的另一個廣義方面，提供了一種干涉測量方法，包括：進行一個或多個 光學測量，包括：使用照明光點照明結構，所述照明光點被配置為至少部分覆蓋所述結構的 至少兩個不同類型的區域；并且檢測從所述結構反射并且包括所述至少兩個不同區域的所 述至少部分的至少兩個不同光響應的光，所檢測的光包括由從所述至少兩個不同區域反射 的至少兩個復合電場的自干涉構成的干涉圖案，因此，表示所述結構的相位響應，攜帶關于 所述結構的性質的信息。
【附圖說明】
[0025] 為了更好地理解在本文中公開的主題，并且例證實際上可以執行該主題的方式， 現在參照附圖，僅僅通過非限制性實例來描述實施方式，其中：
[0026] 圖1示意性示出了具有不同波長的光束與樣品的相互作用，示出了這些光束從樣 品中反射的不同相移；
[0027] 圖2例證了本發明的自干涉方法的原理，其中，測量點整合了來自樣品的一些不 同類型的區域中的信息；
[0028] 圖3A是本發明的測量系統的方框圖；
[0029] 圖3B示意性示出了用于不同點位置的同時光譜測量的光學方案，從而允許從單 發（single-shot)測量提取光譜相位；
[0030] 圖4例證了光譜反射率和相位依賴于在Si襯底的頂部由薄SiOJ莫形成的結構的 膜厚度；以及
[0031] 圖5例證了使用光譜相位測量的計量技術，其中，在兩個不同區域之間的光譜相 位差由它們之間的幾何圖形和/或材料差異決定，并因此，可以用作高靈敏度探針。
【具體實施方式】
[0032] 上述圖1示意性示出了具有兩個不同波長的光束與圖案化結構的相互作用的一 個實例，示出了這些光束從該結構中反射后的不同相移。
[0033] 本發明提供了一種適合于在圖案化結構上進行測量（包括計量）的測量系統，該 系統使用從結構的不同照明區域中返回的光束的干涉，支持穩健性和精確的相位測量，例 如，光譜相位測量。這種方法適用于包括大型均質（或者近似均質）區域的結構，這是OCD 計量的常見情況。均質性的要求在此處是指每個區域內的測量結構是主要相同部件（圖案 的特征）具有小于系統的光學分辨率的間距的周期性結構或者真正空間均勻的分層堆積。 光學系統的光學分辨率稱為衍射極限