[发明专利]用椭偏法测量临界尺寸的设备和方法

说明书

此项发明是关于测量设备和方法的，尤其是测量半导体器件中亚1/4微米尺寸的测量设备和方法。这类尺寸称为临界尺寸(cd)。

在半导体器件的制作中，小于1微米的临界尺寸通常是用精密控制的扫描电镜来测量的。尽管扫描电镜是一种有用的测量手段，但它也有一些缺点。缺点之一就是会使待测样品带电而可能引入污染。

扫描电镜(SEM)主要用于在或接近固体(如半导体芯片)表面成像。借助电子束在样品表面上扫描，可使探头对样品的位置与电子束在成像装置，如示波器上的位置建立起一一对应的关系。所产生的亮度调制信号给出可视图象。如前所述，SEM需要用电子束轰击样品。这就使样品带电而可能对半导体器件造成损伤。而且，电子束还可能使样品原子发生质量输运，导致对半导体器件不同区域的污染。

SEM和原子力显微镜(AFM)的应用也是有限的，这些技术主要是用来测量半导体器件表面上单个的图形结构而非结构组合。

因此，有必要找到一种方法和设备来改善亚1/4微米测量的分辨率。也有必要找到一种方法和设备不使测量时样品带电而致污染样品。更有必要对结构组合进行测量而改善测量的统计值。为此我们建议装备一台带有转台的微椭偏仪，以成为一种新的测量工具，我们称之为各向异性微椭偏仪(AME)(亦即，转动椭偏仪)。正如下面将要说明的，AME能以高分辨率测量亚微米结构组合的临界尺寸(cd)而没有任何前述的缺点。常规的椭偏仪在本领域技术中是众所周知的，其优点是对样品无损伤和侵害。常规的椭偏仪用来测量覆盖在样品表面上薄膜的表面和厚度的光学参数。为此，测量是在静止样品上完成的。

与常规的椭偏仪不同，本发明使用椭偏仪，即AME，来测量横向临界尺寸(cd)。另外本发明修改了常规的椭偏仪，使样品转动(转动椭偏仪)。

按照本发明，用来测量具有外形双折射的表面图形临界尺寸的设备，有一个光源为表面图形提供入射光。一个光探测器用来测量入射光被表面图形反射后的特性。一个样品转台使表面转动，这样就使入射光因转台的转动而沿不同的角度入射。还有一个处理器来处理测得的反射光特性，并使之与表面图形的测量建立联系。

在这个测量设备的另一个示例中，可通过光的复折射率与图形外形尺寸间的公式关系来建立测得的反射光特性与表面图形间的关系。这些表面图形包括沿平行于表面方向延伸的部件和/或沿垂直于表面延伸的厚度。入射光可包括线偏振光。反射光可包括椭圆偏振光。光源和探测器最好包括常规的椭偏仪。借助于反射光特性与图形外形尺寸间经过校准的经验关系，可使测得的反射光特性与表面图形建立联系。长度在250纳米以下的表面图形是更适于测量的。按照本发明，对于具有外形双折射的表面图形，其临界尺寸的测量方法包括以下步骤：提供带有表面图形的表面，用第一偏振光照射表面图形，测量由表面图形反射的偏振光，转动样品使表面图形转动以测量至少在一个新转到的位置上的反射光的偏振，然后使反射偏振与表面图形尺寸相关联。

在此例中，提供样品表面的步骤可以是提供带有表面图形的半导体器件。用第一偏振光照射表面图形的步骤可以是用线偏振光来照射表面图形。测量表面图形反射光偏振的步骤可以是测量反射光的椭偏角Δ和Ψ。转动样品使表面图形转动以测量至少在一个新转到的位置上的反射光偏振的步骤，可以用约20度的小步幅来转动表面图形。使反射偏振与表面图形尺寸建立联系的步骤可借助于反射光特性与表面图形尺寸相关的公式。用偏振角表征反射光更为合适。反射偏振与表面图形尺寸的关系可这样建立：提供表面图形的校准数据，建立反射光特征与校准数据的关系以确立表面图形的特性曲线，将反射光特性与特性曲线进行比较就可量度表面图形的尺寸。确立反射偏振与表面图形尺寸的关系的步骤也可以建立一个介电张量，以使反射光特性与表面图形尺寸相关联。水平和垂直方向图形尺寸的测量都可这样进行。也可这样测量小于250纳米的图形尺寸。

由下面详述的示例结合着附图，本发明的种种目的、特点和优点将越发明显。

参照以下的附图，本发明将详细描述下面的一些合适的示例：

图1是所谓的介电张量及其关于样品表面和入射椭偏面的取向；

图2A是在没有任何图形(即，均匀的各向同性表面)的样品上的椭偏测量；

图2B是按照本发明的一个示例对线条和间隔结构的椭偏测量；

图3是按照本发明对三个不同芯片上的线条结构所做的Ψ和Δ测量与α的函数关系；

图4是按照本发明的临界尺寸校准曲线；

图5是按照本发明的光谱校准曲线；