光學散射測量中粗糙納米結構特性參數的測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種光學散射測量中粗糙納米結構特性參數的測量方法，可以對IC制造中所涉及納米結構的結構參數和粗糙度特征參數進行非接觸、非破壞的測量。首先，通過仿真分析的手段，選出最優測量配置與最優等效介質模型；其次，將上述仿真結果運用于實際納米結構的測量，包括：在最優測量配置下，對實際納米結構進行光學散射測量，獲得測量光譜；運用基于最優等效介質模型的參數提取算法，對測量光譜進行分析，獲得提取參數的數值；通過提取參數與待測參數間穩定性最佳的映射關系式對提取參數進行映射，獲得待測參數的數值。
【專利說明】光學散射測量中粗糙納米結構特性參數的測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學測量【技術領域】，更具體地，涉及一種光學測量中粗糙納米結構的結構參數和粗糙度特征參數的測量方法。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著光學光刻工藝及其分辨率增強技術的不斷進步和發展，基于圖形轉移的批量化制造方法已使得傳統的極大規模集成電路(IC)從微米量級突破到納米量級，并可望將關鍵尺寸(Critical Dimension,⑶)沿拓至45nm以下，因此,⑶的精確控制對于IC的性能影響很大。然而，在IC制造過程中，CD可能會受到各種隨機影響而不可避免的存在粗糙度，且粗糙度并未呈現出隨CD減小而降低的性質。因此，在IC性能評估中，粗糙度的標定變得越來越重要。
[0003]目前，粗糙度測量中一種常用的方法就是通過⑶-SEM或AFM直接進行測量。然而，運用CD-SEM或AFM進行CD和粗糙度測量時，由于儀器本身的限制，使得測量過程中不得不對樣品進行破壞。希臘微電子研究所的V.Constandious等人提出了一種對SEM或AFM測量圖像進行離線分析而獲得粗糙度特征參數的方法。具體可以參見“Quantification of line-edge roughness of photoresists，，，J.Vac.Sc1.Technol.B,Vol.21，N0.3,ppl008-1025(2003)。該方法可以在一定程度上減少待測結構在電子束下的曝光時間，從而避免待測結構因電子束長時間撞擊而發生較大形變，進而導致測量結果失真。然而，這種方法并沒有避免SEM或AFM測量對待測結構造成的破壞；而且，基于SEM或AFM的測量只能測得待測結構中一塊極小區域(通常為幾微米見方)內的粗糙度，無法很好的滿足對整個待測結構的性能進行評估的要求。
[0004]近年來，基于光學散射法的粗糙度測量方法由于具有非接觸、非破壞等優點，受到了人們極大的關注。光學散射測量即將入射光束導向待測結構，然后對衍射光束進行測量獲得測量光譜，并對測量光譜進行分析以確定該結構的各種特性，例如結構參數、光學常數等。與前述的SEM或AFM等測量手段相比，光學散射測量法不是一種“所見即所得”的測量方法，而是一種基于模型的測量方法。在運用光學散射測量方法確定結構特性時，首先將待測結構進行參數化，然后通過一組給定參數，基于所選模型生成一組仿真光譜，并與測量光譜進行比較。當測量光譜與仿真光譜匹配，或者兩者之間的差異處于預設匹配判據范圍之內時，就認為與仿真光譜所對應的參數值表示了待測結構的實際結構。當測量光譜與仿真光譜不匹配，或者兩者之間的差異不在預設匹配判據范圍之內時，可以通過迭代產生一組新的參數值及其對應的仿真光譜，并與測量光譜進行對比。上述過程重復執行，直到仿真光譜與測量光譜匹配。
[0005]然而，在上述待測結構的特性參數提取過程中，涉及的計算量通常都比較大，特別是對二維結構而言。由于特性參數提取過程中的計算量主要歸結于仿真光譜的計算，因此，為了提高計算效率，已有研究將等效介質理論(Effective Medium Approximation, EMA)引入仿真光譜的計算當中，該方法將待測結構的粗糙邊界等效為一層薄膜進行計算，從而極大地節省了計算時間。參見 Brent C.Bergner 的 “Effect of Line Width Roughness onOptical Scatterometry Measurements”，Proc.0f SPIE, Vol.7272, pp72720ul-8(2009)?
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種光學散射測量中粗糙納米結構特性參數的測量方法，該方法可以對IC制造中所涉及納米結構的結構參數和粗糙度特征參數進行非接觸、非破壞的測量，且通過一種“修正”的方式，使得待測參數的提取值更接近其真實值。
[0007]本發明提供的運用于光學散射測量中的粗糙納米結構特性參數的提取方法，首先通過仿真計算來確定提取參數與待測參數間的映射關系式，并選出最優的測量配置和等效介質模型，其具體過程包括:根據粗糙度的特征參數導出粗糙邊界曲線，并疊加到待測結構的理想模型上以生成粗糙模型；基于嚴格的建模方法計算粗糙模型對應的仿真光譜；依據基于等效建模方法的參數提取算法，從仿真光譜中提取結構的特性參數；將提取參數與待測參數進行擬合，得到參數映射關系式；研究其它參數變化時參數映射關系式的穩定性，并選出穩定性最好的測量配置和等效介質模型及對應的參數映射關系式。
[0008]其次，在上述仿真結果的基礎上對實際待測結構進行光學散射測量并提取特性參數，具體步驟包括:在最優測量配置下對待測結構進行光學散射測量，獲得測量光譜；依據基于最優等效介質模型的參數提取算法，從測量光譜中提取實際待測結構的特性參數；將最優測量配置和最優等效模型對應的參數映射關系式，作用于提取參數從而獲得經“修正”的待測參數值。
[0009]與現有的納米結構粗糙度提取策略相比，本發明所提供的光學散射測量中粗糙納米結構特性參數的測量方法，是一種非接觸、非破壞的測量方法，并且測量結果為光斑覆蓋區域內的平均值。其次，本發明在進行特性參數提取時，基于等效模型進行光譜數據的計算使得參數提取的耗時大大降低。再次，本發明通過仿真計算的手段，選出了最優測量配置和最優等效模型，并通過獲得的參數的映射關系式對待測參數進行“修正”，使得待測參數的提取結果更加接近其真實值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]參照下面的說明，結合附圖，可以對本發明有最佳的理解。在附圖中，相同的部分可由相同的標號表不。
[0011]圖1示出了按照本發明的粗糙納米結構的特性參數提取流程圖；
[0012]圖2A和圖2B示出了由相同的粗糙度特征參數生成的粗糙邊界；
[0013]圖2C示出了一種示例性一維結構的理想模型單元；
[0014]圖2D示出了一種示例性一維結構的粗糙模型單元；
[0015]圖2E示出了由圖2D所示粗糙模型單元組成的規模的一維納米結構；
[0016]圖3A示出了一種示例性一維結構的等效模型單元；
[0017]圖3B示出了由圖3A所示等效模型單元組成的規模的一維納米結構；
[0018]圖4示出了不同粗糙度特征參數生成的粗糙邊界的對照圖；
[0019]圖5A示出了一種示例性一維梯形納米結構理想模型的橫截面示意圖；
[0020]圖5B示出了一種示例性一維梯形納米結構粗糙模型的橫截面示意圖；[0021]圖5C示出了一種示例性一維梯形納米結構等效模型的橫截面示意圖；[0022]圖6示出了一種示例性一維梯形納米結構，在方位角為0°，等效介質模型采用Bruggeman模型時，對應的參數映射關系式σ e=g(d)隨線寬CD的變化趨勢圖；
[0023]圖7A示出了一種示例性一維梯形納米結構，在所有方位角Φ和EMA模型下，待測參數σ的“修正”值σ。與其真實值σ ^之間的均方根誤差rms，隨線寬⑶的變化趨勢；
[0024]圖7B示出了一種示例性一維梯形納米結構，在所有方位角Φ和EMA模型下，待測參數σ的“修正”值0。與其真實值ο ^之間的均方根誤差rms，隨粗糙度相關長度ξ的變化趨勢；
[0025]圖7C示出了一種示例性一維梯形納米結構，在所有方位角Φ和EMA模型下，待測參數σ的“修正”值σ。與其真實值σ ^之間的均方根誤差rms，隨粗糙度指數α的變化趨勢。
【具體實施方式】
[0026]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及示例性實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的示例性實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明的適用范圍。
[0027]圖1圖示了本發明提供的粗糙納米結構的特性參數提取方法的示例性處理流程100。本發明將以一維梯形納米結構為例，來具體闡述本發明提供方法的具體操作流程:
[0028](I)根據工藝條件確定納米結構的待測參數及其變化范圍；
[0029]對具有粗糙度的納米結構而言,特性參數包括結構參數和粗糙度特征參數。前者包含線寬CD、線高h、側壁角SWA等，后者包括粗糙度均方根σ、相關長度ξ和粗糙度指數α。粗糙度均方根σ描述了表面高度圍繞著平均表面高度的起伏；相關長度ξ描述了邊界上兩點相關時的最大間距；粗糙度指數α描述了粗糙度邊界中所含高頻成分的比例。
[0030]例如，在步驟102中，將特性參數記為一個η維向量Χ=(Χι，x2,..., χη)，并根據工藝條件確定特性參數X的取值范圍Ω。一般而言，結構參數在其設計值上下浮動10%，粗糙度特征參數的取值范圍則可參考其一般的取值范圍，并根據實際工藝條件進行適當調整。確定了各特性參數的變化范圍之后，可按照預設的步長δ對其進行離散化處理，從而獲得特性參數的多個離散網格點。步長S的取值可根據實際情況進行調整。
[0031](2)生成仿真納米結構；
[0032]圖2圖示了示例性結構的仿真生成過程。在步驟104中，首先，基于三個粗糙度特征參數σ、ξ和α導出對應的粗糙邊界曲線，即生成圖2Α和2Β所示的具有一定長度的粗糙線條200和202 ;然后，將粗糙線條200和202作為粗糙邊界添加到圖2C所示等長度的納米結構理想模型單元204的兩側，形成圖2D所示的納米結構的粗糙模型單元206 ;圖2Ε示出了將粗糙模型單元206沿X方向均勻排列，y方向緊密排列，所形成的一個規模的具有粗糙度的一維納米結構208，以此作為示例性結構的仿真結構。
[0033](3)運用嚴格建模方法計算理論光譜；
[0034]在步驟104生成了仿真納米結構的基礎上，步驟106可以通過應用麥克斯韋方程組并采用數值分析技術求解麥克斯韋方程組來計算理論光譜。在步驟106中，可以利用的數值分析技術包括嚴格耦合波分析(RCWA)、有限元方法(FEM)、邊界元方法(BEM)或者有限時域差分法(FDTD)等。在所述示例性實施例中，將采用RCWA理論計算每個離散網格點Xi(i=l, 2，...)各自對應的理論光譜f Ui I Π)，其中Π表示對應的測量配置，例如測量波長、入射角和方位角等的組合；光譜信號可以是通過反射儀測得的反射率、通過傳統橢偏儀測得的橢偏參數或Stokes向量，或者通過穆勒矩陣橢偏儀測得的Mueller矩陣等。
[0035]再參考圖2A和圖2B，可見由相同粗糙度特征參數生成的粗糙邊界輪廓并不相同。這種不同是由粗糙度本身的隨機性導致的。這種隨機性導致的粗糙邊界的差異會引起對應光譜的差異。為了消除粗糙度隨機性對光譜造成的差異，應當取多條理論光譜的平均作為最終的理論光譜。
[0036](4)運用等效建模方法計算理論光譜；
[0037]圖3A圖示了仿真納米結構的等效模型300,即運用等效介質近似理論(EffectiveMedium Approximation, EMA),將納米結構粗糙邊界等效為一層薄膜。在300所示等效模型的單元中，等效薄膜層302的介電常數ε rff由納米結構的介電常數S1和測量環境的介電常數ε2共同決定。目前，常用的EMA模型有很多種，在所述示例性實施例中選取了最常用的幾種EMA模型，包括形狀雙折射EMA模型(FBEMA)，Maxwell-Garnett EMA模型和Bruggeman EMA模型。在FBEMA模型下，ε eff滿足表達式:
[0038]ε eff = (1-f) E^fe2 (I)
【權利要求】
1.一種光學散射測量中粗糙納米結構特性參數的測量方法，用于對IC制造中所涉及納米結構的結構參數和粗糙度特征參數進行非接觸、非破壞的測量，所述方法包括以下步驟: 步驟102，根據工藝條件確定納米結構的特性參數及其變化范圍，其中，特性參數包括結構參數和粗糙度特征參數； 步驟104，生成仿真納米結構； 步驟106，基于所述仿真納米結構，運用嚴格建模方法計算理論光譜； 步驟108，運用基于等效建模方法的參數提取算法，針對理論光譜進行參數提取，其中，所述等效建模方法使用等效介質近似(EMA)模型，將所述仿真納米結構的粗糙邊界等效為一層薄膜； 步驟110，建立所述仿真納米結構的待測參數與提取參數間的參數映射關系式； 步驟112，確定當其它參數變化時所建立的參數映射關系式的穩定性； 步驟114，選出最優測量配置和最優等效介質模型，其中，從多個測量配置和EMA模型中，選出對應參數映射關系式的穩定性最好的測量配置和EMA模型，作為最優測量配置和最優等效介質|吳型； 步驟116，利用所述最優測量配置、最優等效介質模型和對應于所述最優測量配置和最優等效介質模型的參數映射關系式，對實際納米結構進行光譜測量與特性參數提取。
2.根據權利要求1所述的測量步驟，步驟102中，所述結構參數包括線寬CD、線高h、側壁角SWA，所述粗糙度特征參數包括粗糙度均方根σ、相關長度ξ和粗糙度指數α。
3.根據權利要求2所述的測量方法，步驟104中，首先，基于三個粗糙度特征參數O、ξ和α導出對應的第一粗糙邊界曲線(200)和第二粗糙邊界曲線(202);然后，將第一粗糙邊界曲線(200)和第二粗糙邊界曲線(202)作為粗糙邊界添加到等長度的納米結構理想模型單元(204)的兩側，形成納米結構的粗糙模型單元(206);最后，將粗糙模型單元(206)沿X方向均勻排列，y方向緊密排列，形成預定規模的具有粗糙度的一維納米結構(208)，作為所述仿真納米結構。
4.根據權利要求1所述的測量方法，步驟106中，通過應用麥克斯韋方程組并采用數值分析技術求解麥克斯韋方程組來計算理論光譜。
5.根據權利要求4所述的測量方法，所述數值分析技術包括嚴格耦合波分析(RCWA)、有限元方法(FEM)、邊界元方法(BEM)或者有限時域差分法(FDTD)。
6.根據權利要求1所述的測量方法，步驟106中，取多條理論光譜的平均作為最終的理論光譜。
7.根據權利要求1所述的測量方法，步驟108中，所述等效介質近似模型包括形狀雙折射 EMA 模型(FBEMA)、Maxwell-Garnett EMA 模型和 Bruggeman EMA 模型。
8.根據權利要求1所述的測量方法，步驟108中，采用基于等效建模方法的回歸或庫匹配的參數提取算法來完成待測參數的提取。
9.根據權利要求2所述的測量方法，步驟110中，分別建立待測參數CD、σ與提取參數⑶>?、d之間的映射關系式:
10.根據權利要求1所述的測量方法，所述測量配置包括測量波長、入射角和方位角中的一個或其組合。
11.根據權利要求9所述的測量方法，步驟110中，當方位角為預定角度，EMA模型選取預定EMA模型時，關系式0=g(d)獲得過程為: 從步驟106生成的理論光譜中，選出方位角為所述預定角度，σ取值不同而其它參數(⑶、h、SWA、ξ和α )取值不變的共計i個理論光譜，其中，i為σ的取值個數，且i個σ組成i維行向量σ ; 運用基于所述預定EMA模型的參數提取算法，對上一步選出的i個理論光譜分別進行分析，從每一個理論光譜獲得一組提取參數CDm、h、SffA和d的數值，i個d組成i維行向量d ；
12.根據權利要求9所述的測量方法，步驟112中，將所述參數映射關系式o=g(d)記為Oc=S(Cl),其中σ。代表待測參數的映射值，待測參數的真實值記為Otl，那么，當方位角為預定角度，EMA模型選取預定EMA模型時，對應關系式σ ^g(Cl)在CD變化時的穩定性如下: 從步驟106生成的理論光譜中，選出方位角為所述預定角度，CD取值不同而其它參數(h、SWA、ξ、ο ^和α )取值不變的共計j個理論光譜，其中，j為⑶的取值個數； 運用基于所述預定EMA模型的參數提取算法，對上一步選出的j個理論光譜分別進行分析，將從每一個理論光譜獲得一組提取參數ram、h、SffA和d的值，j個d組成j維行向量d ； 運用映射關系式Ofg(Cl)將向量d 映射為j維行向量σ。，并計算向量σ。的元素與σ Q的均方根誤差rms:
13.根據權利要求1所述的測量方法，步驟116包括: 在步驟114中選出的最優測量配置下，對實際納米結構進行光學散射測量，獲得實際測量光譜； 基于步驟114中選出的最優等效介質模型，運用基于最優等效介質模型的參數提取方法，對所述實際測量光譜進行參數提取； 從步驟110獲得的參數映射關系式中，選出對應于最優測量配置和最優等效介質模型的映射關系式，作用于提取參數從而獲得待測參數的數值，即為最終測量結果。
14.根據權利要求1所述的測量方法，所述光譜為通過反射儀測得的反射率、通過傳統橢偏儀測得的橢偏參數或Stokes向量,或者通過穆勒矩陣橢偏儀測得的Mueller矩陣。
【文檔編號】G06F17/50GK103559329SQ201310452328
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】劉世元, 石雅婷, 陳修國, 張傳維 申請人:華中科技大學