[发明专利]用于宽带光反射光谱的方法和系统

说明书

公开了光反射(PR)光谱系统和方法，用于独立地累积从样本反射的“泵通”光束和“泵断”光束。该系统包括：(a)用于产生探测光束的探测源，探测光束用于测量样本的光谱反射率；(b)用于产生泵浦光束的泵浦源；(c)至少一个光谱仪；(d)第一调制设备，允许泵浦光束交替地调制样本的光谱反射率，以使得从样本反射的光束是交替的“泵通”光束和“泵断”光束；(e)位于从样本反射的光束的路径中的第二调制设备，用以交替地将“泵通”光束和“泵断”光束引导至至少一个光谱仪，以及(f)计算机。

技术领域

本发明涉及半导体测量技术。更具体地说，本发明涉及用于通过光学仪器测量设备关键尺寸的半导体计量技术。

背景技术

为了提高性能、能效和成本，半导体制造业不断朝着更小的器件尺寸发展。保持这一趋势需要更加严格和高效的过程控制，因此在关键尺寸和材料性能方面也需要计量。

在此背景下，光学计量方法因其无损、非接触机制以及高吞吐量和小测量点而与众不同。具体而言，光谱方法(诸如光谱反射法(SR)和光谱椭偏法(SE))通常用于尺寸计量(OCD)和过程控制。通过检测从样本反射的光，可以推断出关于薄膜的光学性质和厚度的信息以及复杂图案结构的尺寸参数。然而，这些方法通常对固有材料特性(如电参数(如载流子寿命、迁移率)和机械参数(如应变/应力)的敏感性很低。其他测量此类特性的方法往往存在各种缺点，如破坏性大、需要与样本接触、测量时间长或测量点过大。因此，本发明的目的是提供用于测量样本的光学特性中光诱导变化的装置和方法。克服现有系统和方法的上述缺点的系统和方法。

发明内容

调制光谱学(MS)指的是一系列技术，其中样本从其标称状态以某种方式受到扰动，并测量光谱的变化(而非光谱本身)作为对该扰动的响应。这方面的示例有热反射，由于测量温度变化引起的反射率差异；分别施加了静电/静磁场的电/磁反射或使用光场飞光反射。

由于材料的光谱反射率与电子特性(如能带结构、态密度、自由载流子等)密切相关，调制光谱学(MS)比任何其他光谱方法对这些特性更为敏感。当半导体器件的电测试需要在其制造过程的早期阶段进行时，这可能具有很高的价值，而传统的电测试是不可能的。

本发明致力于用于宽带光反射(PR)光谱的装置和方法，即用于测量样本的光学特性中的光诱导变化。根据本发明的一些实施例，PR装置使用两个光束：用于测量样本的光谱反射率的第一探测光束和用于调制反射率的第二泵浦光束。PR测量值为ΔR/R，其中R(ω)+ΔR(ω)以及R(ω)分别是有泵浦光束和无泵浦光束时的光谱反射率。

在大多数情况下，ΔR/R的值非常小，大约为10^-5-10^-4的数量级。测量反射率的这种微小变化需要约～10^-6的信噪比(SNR)，这是一个挑战，因为标准光谱系统中存在噪声和杂散信号源。

下面描述本发明的PR装置和方法的最终性能和优点。

根据本发明，PR测量中的主要噪声因素如下：

·散粒噪声：在检测N个光子(或光电子)时的散粒噪声为在PR中，感兴趣的信号ΔR是两个强得多的信号R和R+ΔR相减的结果。在这些信号中的每一个的噪声都是不相关的，因此不会被减去。因此，如果在反射率R处检测到N个光电子，则SNR变为例如，为了检测PR信号其中SNR＝10，总共需要收集2·10¹²个光电子(每像素)，对于可见光光电子的量总计μJ。

·“1\f”噪声，来自源、探测器和电子设备。这种类型的噪声很难克服，因为正如其名称所示，它与频率成反比，或与采集时间成线性-这意味着增加测量时间无助于将其平均化(或者换句话说，它包含长期相关性)。

对此的常见缓解措施称为锁定检测(LID)，即以足够高的频率(通常约数百Hz)调制泵浦光束，并通过锁定到泵浦调制频率的锁定放大器(LIA)传递探测检测器信号，从而隔离接近调制频率的频率，并拒绝其余频率。