[发明专利]用于原位工艺监测和控制的光谱反射测量法

说明书

在本文中展现用于对安置在晶片上的半导体结构执行原位选择性光谱反射测量法SSR测量的方法和系统。空间地成像从晶片表面反射的照明光。收集且光谱分析来自图像的经选择区的信号，而舍弃所述图像的其它部分。在一些实施例中，SSR包含安置于光学路径中的动态镜面阵列DMA，所述DMA在与被测量的半导体晶片的表面共轭的场平面处或附近。所述DMA选择性地阻挡晶片图像的非期望部分。在其它实施例中，SSR包含超光谱成像系统，所述超光谱成像系统包含多个光谱仪，所述光谱仪各自经配置以从与所述晶片表面共轭的场图像的空间上不同的区域收集光。选择与所述晶片图像的期望区相关联的经选择光谱信号以用于分析。

相关申请的交叉引用

本专利申请案根据35 U.S.C.§119主张2016年8月29日递交的美国临时专利申请序列号62/380,748，标题为“用于原位监测和制造工艺控制的光谱反射计配置(SpectralReflectometer Configurations for In-Situ Monitoring and Control of theFabrication Process)”的优先权，其标的物以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

所描述的实施例涉及度量衡系统和方法，且更具体地说，涉及用于改进经受制造工艺步骤的半导体结构的测量的方法和系统。

背景技术

半导体装置，例如逻辑和存储器装置，通常是通过应用到样本的一系列工艺步骤来制造的。半导体装置的各种特征和多个结构性层级通过这些工艺步骤形成。举例来说，光刻技术等是一种涉及在半导体晶片上产生图案的半导体制造工艺。半导体制造工艺的额外实例包含但不限于化学机械抛光、蚀刻、沉积和离子植入。多个半导体装置可制造在单个半导体晶片上并且随后分成单独的半导体装置。

在半导体制造工艺期间在各个步骤处使用度量衡方法来检测晶片上的缺陷以促成更高良品率。光学度量衡技术提供在摆脱样品毁坏风险的情况下实现高产量的潜力。多种基于度量衡的包含散射术和反射检查实施方案的技术和相关联的分析算法常用来表征纳米级结构的关键尺寸、膜厚度、组成物、重叠层和其它参数。

在大部分实例中，由一或多个单独度量衡工具执行半导体制造工艺的精密监测。然而，在一些实例中，度量衡工具与执行被测量的制造步骤的工艺工具集成。这通常被称为原位监测。

在一个实例中，经受反应性离子蚀刻工艺的结构被原位监测。在一些制造步骤中，需要蚀刻工艺完全贯穿暴露层蚀刻，并且随后在较低层的实质性蚀刻发生之前终止。通常，这些工艺步骤是通过使用发光光谱分析技术监测存在于腔室中的等离子体的光谱特征来控制。当暴露层被蚀刻贯穿，且蚀刻工艺开始与较低层反应时，发生等离子体光谱特征的不同改变。通过发光光谱分析技术测量光谱特征的改变，且基于测得的光谱特征改变中断蚀刻工艺。

在其它制造步骤中，需要蚀刻工艺部分贯穿暴露层蚀刻到指定蚀刻深度，且在完全蚀刻贯穿暴露层之前终止。这一类型的蚀刻工艺通常被称为“盲蚀刻”。当前，贯穿部分经蚀刻层的蚀刻深度测量是基于近正交入射光谱反射测量法。

在一些实例中，被测量的晶片包含周期性图案。这些图案表现出可建模的独特反射性特征。因此，基于模型的光谱反射测量法测量技术适合于估计经图案化晶片的临界尺寸。不利的是，当前可用的基于光谱反射测量法的原位监控工具不具有符合未来的制造工艺要求所必需的精确度。

在许多实用的实例中，被测量的半导体晶片包含均匀的周期性图案区，以及包含支援电路、划痕线等的不均匀区。举例来说，在存储器晶片上，均匀区的典型大小为约50平方微米，由围绕均匀区的几微米不均匀区包围。当前可用的原位监控工具以准直光束照射晶片，其照射晶片的大面积圆形区域，包含均匀和不均匀区。典型照明光点大小为直径十毫米，或更大。通过光谱仪混合和分析遍及这一大面积收集的反射光。混合来自晶片的均匀和不均匀区的反射性信号根本上地限制了度量衡系统的性能(亦即，测量准确度受到限制)。