用于光学关键尺寸测量的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造工艺的光学关键尺寸的测量，更具体而言，涉及一种在光 学关键尺寸0CD的ptical化iticalDimension)测量设备中提升光谱曲线匹配可靠性和测 量稳定性的测量方法。
【背景技术】
[0002] 在集成电路产业，随着工艺节点的微缩，器件结构的复杂化和多样化，极大规模集 成电路制造生产对测量设备的精度和灵敏度的要求也越来越高。0CD的ptical化itical Dimension)测量技术作为一种重要的关键尺寸测量技术，在65皿及W下工艺节点的逻辑 器件和存储器生产中逐渐占据主导地位。
[0003] 随着半导体集成电路制造工业的发展，工艺中的关键尺寸越来越小，需要控制的 器件结构参数越来越多，传统的光学成像分析的方法无法满足工艺关键尺寸的测量。新的 成像技术不断地应用于半导体工艺形貌的测量中，如扫描电子显微镜、原子力显微镜，可实 现高精度的关键尺寸、沟槽深度尺寸的测量，但其测量过程复杂，对待测样品具有破坏性， 无法实现在线测量。光学薄膜测量仪可W在无图形区域对多层不同材料的薄膜厚度进行测 量，但不能对有图形区域例如周期性光栅结构进行测量。而0CD测量设备正是通过获取的 被测区域周期性结构的衍射信号W及结构模型从而获取结构的具体参数。0CD测量技术可 W实现关键尺寸及其它形貌尺寸的测量，在具体的测量案例中，所获得的诸多工艺尺寸可 能同时需要扫描电子显微镜，原子力显微镜，光学薄膜测量仪等分别完成。由于0CD测量技 术有非接触性、非破坏性、同时测量多个工艺特征、可实现工艺的在线测量等诸多优势，因 此越来越广泛地应用于半导体制造工业中，并朝着更快速更准确地测量更精细结构的方向 迅速发展。
[0004] 0CD测量技术作为当前半导体制造工艺中一种主流的工艺控制技术，其基本工作 原理可描述为；（1)建立与待测样品的形貌相对应的理论光谱数据库；（2)通过0CD测量设 备获得待测样品的测量光谱；（3)从理论光谱数据库中寻找与测量光谱最佳匹配的特征光 谱，从而确定该待测样品的待测结构参数。
[0005] 建立与待测样品的形貌相对应的理论光谱数据库，即根据光栅的模型计算具有该 模型描述的待测样品的理论光谱。作为一个示例，其代表性的电磁场计算方法是：严格禪 合波分析理论RCWA巧igorous Coupled-Wave Analysis)。待测样品的理论衍射光谱s(x， 入）可通过建立模型使用相关理论（如RCWA)计算得到。一般地，可用参数向量X = (X。， Xi，...而ι)τ，Xj，j=0, . . .，kl，来表示待测结构全部的结构参数，如图1所示的待测结构 模型包括结构参数CD、SWA、HT，则可用参数向量x=(CD，SWA，HT)τ来描述该待测结构模型。
[0006] 通过0CD测量设备获得待测样品的测量光谱的过程可描述为，衍射光谱仪的光源 经过起偏器入射至待测样品的周期性结构区域，经过待测样品的衍射，各级衍射光中包含 了待测样品的结构、材料等信息。通常零级衍射光通过检偏器被衍射探测器接收。衍射仪 将接收到的衍射光信号处理为包含了待测样品信息的测量光谱。测量光谱的数值的描述形 式有反射率Rs，Rp，偏振态变化的描述tanΨ和cosΔ，偏振态分析的傅立叶系数α，目，或 直接输出描述衍射过程的穆勒矩阵（MuellerMatrix)等形式。
[0007] 进一步，从理论光谱数据库中寻找与测量光谱最佳匹配的特征光谱，从而确定该 待测样品的待测结构参数。光谱匹配过程首先根据待测样品的制造工艺信息建立待测样品 周期性结构的结构模型，结构模型由待测结构参数决定。根据周期性结构的光衍射原理，可 W计算出由一组具体结构参数来确定的结构模型的衍射理论光谱。变化结构模型的参数， 就会有不同的理论光谱。光谱匹配过程就是寻找一组待测结构参数，具有该参数形貌的待 测样品其理论光谱与测量光谱实现最佳匹配。送样，就可W用送组参数决定的形貌表征待 测样品的实际形貌，从而实现了对待测样品的线宽等结构参数的测量。
[0008] 设衍射仪获取的测量光谱为Sm(λ)，不考虑测量过程中的误差和系统噪声，当所 建立模型与待测样品完全一致时，可W认为理论光谱S(X，λ)与测量光谱Sm(λ)相同S(X， 入）=SmU)。其中，理论光谱S(x，λ)是通过建立结构模型并使用相关电磁场理论（女口 RCWA)计算得到的，测量光谱SmU)可通过衍射仪获取。如果能够知道s(x，λ)对应的X 即可获得测量参数，其思路是：若能够寻找到一个义""=(Χ〇%χΛ. ..，Xli"V，Xj，j=〇，...， kl，其理论光谱s(x%λ)与测量光谱SmU)最佳匹配，则待测样品的形貌就可W用参数 X〇? Χ? ? · · · ? Xl 1 ο
[0009] 上述匹配过程描述了通过0CD测量方法获取待测样品的结构参数的基本思路，然 而，如何使匹配出来的结果更精确，或者说如何提高0CD测量的灵敏度和信噪比，则随着1C 工业的发展成为提升芯片制造产品良率和实现器件持续微缩的关键因素之一。
[0010] 0CD测量设备包含诸多的硬件系统参数设计，在光学测量过程中，工程师正在极力 追求各个0CD测量设备的系统参数的高精度控制，降低由于硬件误差（如运动部件和精密 定位子系统的精度限制）对测量中收集到的衍射光信号造成偏差，然而理想的零误差无法 实现，由系统噪声、不确定性和随机误差形成总的光谱噪声不可避免。噪声的存在导致测量 光谱和理论光谱匹配度下降，同时造成所得待测结构参数的拟合值偏离真实值，更重要的 是影响工业测量的重复性和精确度。
[0011] 由于半导体制造工艺的不同和待测器件结构的变化，通常的0CD测量设备的系统 参数设计过程中，一般很难考虑各波长处光谱信号的灵敏度差异。在对测量光谱和理论光 谱二者匹配的评价过程中，使用全体波长点参与匹配的权重采取无差异的匹配方式，制约 了灵敏度、信噪比和测量结果精确度的提升。在此，我们根据每一个特定的待测器件结构和 使用的材料，对各波长点处光谱信号进行灵敏度分析，基于逐一波长点的灵敏度，在光谱匹 配和评价操作中予W优化，为参与匹配的各波长点的光谱信号针对性的设置权重系数，可 有效提高信噪比和测量结果的精确度。
【发明内容】
[0012] 目前半导体工业使用的0CD测量设备，其通过测量光谱与理论光谱进行匹配时， 未考虑不同波长处衍射信号基于波长的灵敏度和噪声差异，在计算理论光谱的环境配置 中，在波长维度上的光谱匹配通常采取无差别的权重设置的方式。送种在不同波长处进行 无权重差异的匹配处理方式，作为评价手段，将无益于提升待测结构参数拟合值的可靠性 和测量结果的精确度。本发明所要解决的问题是，在系统硬件精确度既定的前提下，根据每 一个特定的待测器件结构和使用的材料，提升测量结果的精确度。
[0013] 根据本发明的第一个方面，提供了一种在0CD测量设备中提高光谱曲线匹配可靠 性和测量精确度的方法，包括由所述0CD测量设备执行的W下步骤；获取相应待测样品仿 真模型结构参数的标称值和邻近值在每个测量波长点的光谱数据W形成理论光谱数据库； 对各个所述待测结构参数在全体波长点的所述理论光谱进行灵敏度分析并获取各个所述 待测结构参数的灵敏度随波长分布；对各个所述待测结构参数的所述灵敏度随波长分布进 行归一化处理并获取归一化的灵敏度随波长分布；根据用户对所述待测结构参数的关注程 度，W及所述待测结构参数对最终器件电学特性和产品优良率的影响程度来设置统化权重 系数并对所述归一化的灵敏度随波长分布进行统化处理及获取统化的灵敏度随波长分布； 根据所述统化的灵敏度随波长分布，在理论光谱与相应测量光谱的匹配过程中在每个波长 点设置匹配权重系数并计算理论光谱与所述测量光谱的信号偏移量；对所述理论光谱与相 应测量光谱进行评价优化操作并判定所述理论光谱与所述测量光谱的匹配程度。
[0014] 有利地，所述方法还包括；根据待测样品的材料和结构信息建立所述仿真模型，设 定所述仿真模型的所述待测结构参数和配置所述0CD测量设备的光学参数的所述标称值； 相应所述设定的组合参数计算每个所述波长点的光谱数据；根据每个所述波长点的光谱数 据相连形成的所述理论光谱共同形成所述理论光谱数据库。
[0015] 有利地，所述仿真模型的待测结构参数包括半导体制造过程中利用所述0CD测量 设备对所述待测样品的结构的尺寸和形貌进行测量和相关工艺控制的指标；所述光学参数 的标称值包括光谱类型，数值孔径的平均化设置，波长范围及离散的波长采样点，片层划分 方式及精度，收敛分析阶数，和入射角和方位角组合。
[0016] 有利地，在对待测结构的结构参数进行灵敏度分析的过程中，灵敏度公式定义如 下：
[0017]
[0018] 其中，Parameter为某个结构参数标称值的数值，也可符号化为Xj;AParameter 为对应该结构参数引入的一个变化量，即ΔX,，因此有：
[0019]
[0020] Signal为某种类型光谱在某个波段范围的信号值；ASignal为由结构参数X,的 变化而引起在该波段范围的整体光谱信号偏移量，其可通过对结构参数X，的浮动值Δχ,在 所选全体波长点引起的光谱信号偏移量进行统计处理来获得。
[0021] 同时，定义AS(x，Axj，λι)表示结构参数Xj在某波长点λι，α= 1，...，脚处 的光谱信号偏移量。如下式：
[0022] ΔS(X，ΔXj,入i) =S(X，ΔXj,入i)-S(X，0，入i)
[002引其中，s(x，Axj，λi)表示结构参数Xj基于其标称值浮动Axj时在波长点λi处 产生的光谱数据，同时，其余结构参数取相应标称值；s(x，0,λ1)表示结构参数X,为其标称 值时在波长点λ1处产生的光谱数据，即是，全体结构参数取其标称值时在波长点λ1处产 生的光谱数据。
[0024] 通常，ΔSignal采取均方根误差计算方式对所选测量波段的光谱变化值进行处 理，N表示所选波段所包含的波长点数目