透射小角度x射线散射计量系统
阅读说明：本技术 透射小角度x射线散射计量系统 (Transmission small angle X-ray scattering metering system ) 是由 A·舒杰葛洛夫 A·吉里纽 S·佐卢布斯基 于 2018-04-13 设计创作，主要内容包括：本文中描述用于通过具有相对小工具占用面积的透射小角度x射线散射测量TSAXS系统表征半导体装置的尺寸及材料性质的方法及系统。本文中描述的所述方法及系统实现适合用于具有减小的光学路径长度的半导体结构的计量的Q空间分辨率。一般来说,所述x射线光束针对相对小目标经聚焦更接近晶片表面且针对相对大目标经聚焦更接近检测器。在一些实施例中,采用具有小点扩散函数PSF的高分辨率检测器以缓解对可实现Q分辨率的检测器PSF限制。在一些实施例中,所述检测器通过确定由光子转换事件刺激的电子云的质心而以子像素准确度定位入射光子。在一些实施例中,除了入射位置之外,所述检测器还分辨一或多个x射线光子能量。(methods and systems for characterizing dimensions and material properties of semiconductor devices by a transmission small angle x-ray scattering measurement (TSASX) system with a relatively small tool footprint are described herein. The methods and systems described herein enable Q spatial resolution suitable for metrology of semiconductor structures having reduced optical path lengths. In general, the x-ray beam is focused closer to the wafer surface for relatively small targets and closer to the detector for relatively large targets. In some embodiments, a high resolution detector with a small point spread function PSF is employed to alleviate the detector PSF limitation on achievable Q resolution. In some embodiments, the detector locates incident photons with sub-pixel accuracy by determining the centroid of the electron cloud stimulated by the photon-conversion event. In some embodiments, the detector resolves one or more x-ray photon energies in addition to the incident position.)
相关申请案的交叉参考
本专利申请案根据35U.S.C.§119规定主张2017年4月14日申请的序列号为62/485,497的美国临时专利申请案的优先权，所述案的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计量系统及方法，且更特定来说，涉及用于改进的测量准确度的方法及系统。
背景技术
例如逻辑及存储器装置的半导体装置通常是由应用于样品的一系列处理步骤制造。半导体装置的各种特征及多个结构层级是由这些处理步骤形成。例如，其中光刻是涉及在半导体晶片上产生图案的一个半导体装置工艺。半导体装置工艺的额外实例包含(但不限于)化学机械抛光、蚀刻、沉积及离子植入。多个半导体装置可在单个半导体晶片上制造且接着分离成个别半导体装置。
在半导体装置工艺期间的各个步骤使用计量过程以检测晶片上的缺陷以促进较高良率。通常使用包含散射测量及反射测量实施方案以及相关联的分析算法的若干基于计量的技术以表征临界尺寸、膜厚度、组合物及纳米级结构的其它参数。
传统上，对由薄膜及/或重复周期性结构组成的目标执行散射测量临界尺寸(SCR)测量。在装置制造期间，这些膜及周期性结构通常表示实际装置几何形状及材料结构或中间设计。随着装置(例如，逻辑及存储器装置)迈向更小纳米级尺寸，表征变得更困难。并入复杂三维几何形状及具有多种物理性质的材料的装置造成表征困难。举例来说，现代存储器结构通常是高高宽比三维结构，此使得光学辐射难以穿透到底层。利用红外光到可见光的光学计量工具可穿透许多半透明材料层，但提供良好的穿透深度的较长波长不提供对小异常的足够灵敏度。另外，表征复杂结构(例如，FinFET)所需的增大数目个参数导致渐大的参数相关性。因此，表征目标的参数通常无法可靠地脱离可用测量。
在一个实例中，已采用较长波长(例如，近红外)以试图克服利用多晶硅作为堆叠中的一个替代材料的3D FLASH装置的穿透问题。然而，3D FLASH的镜状结构随着照明更深地传播到膜堆叠中而固有地引起减小的光强度。此引起深度下的灵敏度损耗及相关性问题。在此案例中，SCD仅能够以高灵敏度及低相关性成功提取一组精简的计量尺寸。
在另一实例中，在现代半导体结构中越来越多地采用不透明高介电系数材料。光学辐射通常无法穿透由这些材料构成的层。因此，使用薄膜散射测量工具(例如椭偏仪或反射计)的测量变得越来越具挑战性。
响应于这些挑战，已开发更复杂的光学计量工具。举例来说，已开发具有多个照明角度、较短照明波长、较广照明波长范围及从反射信号的更完整信息获取(例如，除了较常规的反射率或椭偏测量信号之外，还测量多个穆勒(Mueller)矩阵元素)的工具。然而，这些方法未可靠地克服与许多先进目标(例如，复杂3D结构、小于10nm的结构、采用不透明材料的结构)的测量及测量应用(例如，线边缘粗糙度及线宽度粗糙度测量)相关联的根本挑战。
原子力显微镜(AFM)及扫描穿隧显微镜(STM)能够实现原子分辨率但其仅可探测样品的表面。另外，AFM及STM显微镜需要长扫描时间。扫描电子显微镜(SEM)实现中间分辨率水平，但无法穿透结构到足够深度。因此，未良好表征高高宽比孔。另外，样品所需的充电对成像性能具有不利影响。X射线反射计还遭受当测量高高宽比结构时限制其有效性的穿透问题。
为了克服穿透深度问题，结合破坏性样本制备技术(例如聚焦离子束(FIB)加工、离子铣削、毯覆式或选择性蚀刻等)采用传统成像技术(例如TEM、SEM等)。举例来说，透射电子显微镜(TEM)实现高分辨率水平且能够探测任意深度，但TEM需要样品的破坏性分段。材料移除及测量的若干反复通常提供遍及三维结构测量临界计量参数所需的信息。然而，这些技术需要样本破坏及长过程时间。完成这些类型的测量的复杂性及时间归因于蚀刻及计量步骤的漂移而引入大的不准确度。另外，这些技术需要引入配准误差的若干反复。
采用硬X射线能级(>15keV)的光子的透射小角度X射线散射测量(T-SAXS)系统已展示出有希望解决具挑战性的测量应用。在以下各案中描述将SAXS技术应用到临界尺寸(CD-SAXS)及叠加(OVL-SAXS)的测量的各种方面：1)庄(Zhuang)及费尔登(Fielden)的标题为“高亮度X射线计量(High-brightness X-ray metrology)”的第7,929,667号美国专利；2)裴克曼(Bakeman)、谢德(Shchegrov)、赵(Zhao)及谭(Tan)的标题为“用于经组合X射线及光学计量的模型构建及分析引擎(Model Building And Analysis Engine ForCombinedX-Ray And Optical Metrology)”的第2014/0019097号美国专利公开案；3)维德曼(Veldman)、裴克曼、谢德及米氏(Mieher)的标题为“用于使用X射线计量测量半导体装置叠加的方法及设备(Methods and Apparatus For Measuring Semiconductor DeviceOverlay Using X-Ray Metrology)”的第2015/0117610号美国专利公开案；4)亨奇(Hench)、谢德及裴克曼的标题为“针对基于X射线的计量的测量系统优化(MeasurementSystem Optimization For X-Ray Based Metrology)”的第2016/0202193号美国专利公开案；5)得兹(Dziura)、盖琳(Gellineau)及谢德的标题为“高高宽比结构的X射线计量(X-rayMetrology For High Aspect Ratio Structures)”的第2017/0167862号美国专利公开案；及6)盖琳、得兹、亨奇、维德曼(Veldman)及扎列(Zalubovsky)的标题为“X射线散射测量系统的全束计量(Full Beam Metrology for X-Ray Scatterometry Systems)”的第15/419,130号美国专利申请案，这些文献中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。前述专利文献被让渡给(美国)加利福尼亚州，米尔皮塔斯市(Milpitas)的科磊公司(KLA-TencorCorporation)。另外，马祖(Mazor)等人的标题为“X射线散射测量设备(X-rayscatterometry apparatus)”的第9,606,073号美国专利描述将SAXS技术应用到半导体结构的各种方面，所述专利的内容以全文引用的方式并入本文中。
SAXS还已应用到材料的表征及其它非半导体相关应用。示范性系统已由若干公司商业化，包含Xenocs SAS(www.xenocs.com)、布鲁克公司(Bruker Corporation)(www.bruker.com)及理学公司(Rigaku Corporation)(www.rigaku.com/en)。布鲁克(Bruker)及理学(Rigaku)两者提供分别命名为“Nanostar”及“Nanopix”的小角度x射线散射测量系统及广角x射线散射测量系统。这些系统包含可调整样本到检测器距离。
在科学文献中还描述对半导体结构的CD-SAXS计量的研究。大多数研究群组已采用归因于其巨大的大小、成本等而不适合用于半导体制造设施中的高亮度x射线同步加速器源。在勒迈尔(Lemaillet)、杰默(Germer)、克莱恩(Kline)等人的标题为“FinFET结构的光学与x射线散射测量测量之间的相互比较(Intercomparison between optical and x-ray scatterometry measurements of FinFET structures)”的文章，《国际光学工程学会学报(Proc.SPIE)》，第8681卷，第86810Q页(2013年)中描述此系统的一个实例，这些文献中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。最近，美国国家标准与技术研究院(NIST)的群组已起始采用类似于第7,929,667号美国专利中所描述者的紧密且明亮x射线源的研究。在标题为“使用下一代半导体装置的紧凑x射线源的x射线散射临界尺寸计量(X-rayscattering critical dimensional metrology using a compact x-ray source fornext generation semiconductor devices)”的文章，《微/纳米光刻杂志(J.Micro/Nanolith.)》MEMSMOEMS 16(1),014001(2017年1月到3月)中描述此研究，这些文献中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。
SAXS系统采用若干不同类型的检测器，包含混合像素光子计数检测器、电荷积分像素阵列检测器、气态雪崩检测器等。可用检测器的像素大小是在从约50微米到近似200微米的范围中。具有25微米像素的原型当前在开发中。
全部先前SAXS架构的实质缺点是测量典型半导体结构所需的仪器的实质大小。需要精细角分辨率来分辨检测器处的衍射图像。当前，通过增加仪器的长度而实现此分辨率。
在一个实例中，由布鲁克制造的“Nanostar”系统可经配置具有1070mm的样本到检测器距离、具有68微米像素大小的检测器及5e-3埃-1的q空间分辨率。
在半导体制造设施中，计量及检验工具必须符合相对小占用面积大小以最大化昂贵净室空间的使用且容纳更多工具用于更高处理量。因此，当前SAXS系统的工具长度必须从当前等级减小到可用于实际半导体制造环境中。
此外，硬x射线检测器的分辨率还限制当前系统重建半导体装置的详细轮廓的能力。举例来说，当前垂直NAND(VNAND)结构经制造具有大约数微米的基础间距长度。使用硬x射线的这些结构的测量产生在不依靠不切实际工具长度(例如，～40m工具长度)的情况下仅基于角分辨率无法分辨的非常精细的衍射图案。因而，此测量应用对于当前工具不可行。
概括来说，当前CD/OVL SAXS系统归因于过大占用面积、有限分辨率及对角度级分离的依赖而不适合实施于生产半导体制造设施中。为了进一步改进装置性能，半导体产业继续关注于垂直集成而非横向按比例调整。因此，复杂、完全三维结构的准确测量对于确保可行性及持续按比例调整改进至关重要。未来计量应用归因于越来越小的分辨率要求、多参数相关性、越来越复杂的几何结构(包含高高宽比结构)及不透明材料的越来越多的使用而存在计量挑战。因此，期望用于改进的x射线散射测量测量(包含改进的分辨率及更小占用面积)的方法及系统。
发明内容
本文中描述用于通过具有相对小工具占用面积的透射小角度x射线散射测量(TSAXS)系统表征半导体装置的尺寸及材料性质的方法及系统。本文中描述的所述方法及系统实现适合用于具有减小的光学路径长度的半导体结构的计量的Q空间分辨率。
在一个方面中，TSAXS测量系统在相对短光学路径长度内(例如，从照明源到检测器小于3米)采用硬x射线照明来测量在从相对小尺寸(例如，近似50纳米)到相对大尺寸(例如，高达10微米)的范围中的目标。
在另一方面中，TSAXS测量系统使用被聚焦在晶片表面之前小于200毫米、在晶片表面处、在检测器表面处或在晶片表面与检测器表面之间的任何位置处的X射线光束照明样本以缓解对可实现Q分辨率的光学焦点限制。一般来说，针对涉及必须使用最小可能照明光点大小照明的相对小目标的计量应用，x射线光束经聚焦更接近晶片表面。针对涉及其中期望高图像分辨率及光子通量的相对大目标的计量应用，x射线光束经聚焦更接近检测器。
在又另一方面中，TSAXS测量系统包含具有小PSF的高分辨率检测器以缓解对可实现Q分辨率的PSF限制。无论光学焦点相对于晶片及检测器定位于何处，当晶片-检测器距离D减小到相对小值(例如，小于1米)时，高分辨率检测器都是有利的。
在另一方面中，由光子转换事件刺激的电子云的质心的位置由检测器计算。质心的位置以子像素准确度提供入射光子的位置。此有效地减小像素大小且实现超出几何限制的Q分辨率。如本文中描述的子像素空间内插对于具有小于1米的晶片-检测器距离的半导体结构的TSAXS测量是优选的。
在一些实施例中，具有相对短光学路径长度的TSAXS系统经配置具有入射于垂直定位(即，垂直于晶片表面近似垂直于重力向量)的晶片上的水平光学路径。然而，在一些其它实施例中，具有相对短光学路径长度的TSAXS系统经配置具有入射于水平定位(即，垂直于晶片表面近似平行于重力向量)的晶片上的垂直光学路径。通过垂直定向光束线，可实现较小工具占用面积且简化晶片处置。
在又另一方面中，x射线检测器分辨一或多个x射线光子能量且针对每一x射线能量分量产生指示样品的性质的信号。以此方式，除了像素位置及计数的数目之外，还通过能量鉴别检测器内的X射线光子相互作用。在一些实施例中，通过比较X射线光子相互作用的能量与经预先确定上阈值及经预先确定下阈值而鉴别X射线光子相互作用。
在另一方面中，TSAXS系统经配置以在一个方向上基于空间分离级但在正交方向上基于重叠级而测量目标。在一些这些实施例中，在其中空间分离衍射级的方向上确定一或多个所关注参数的(若干)值。随后采用这些参数值以基于重叠级确定一或多个所关注参数的(若干)值。
在另一方面中，光束塑形狭缝机构的狭缝经定位紧密接近测量中样品以最小化归因于光束发散的通过有限源大小定义的入射光束光点大小的扩大。在一个实例中，针对10微米x射线源大小及光束塑形狭缝与样品101之间的25毫米的距离，归因于由有限源大小产生的阴影的光束光点大小的扩展是近似1微米。在其它实例中，通过经定位距样品小于100毫米的光束塑形狭缝控制光束发散。
在又另一方面中，采用T-SAXS系统以基于散射光的一或多个衍射级确定样品的性质(例如，结构参数值)。
前述是发明内容且因此必然含有细节的简化、概括及省略；因此，所属领域的技术人员将了解，发明内容仅是说明性的且不以任何方式限制。本文中所述的装置及/或过程的其它方面、发明特征及优点将在本文中所陈述的非限制性详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1是说明如本文中描述那样经配置以执行x射线散射测量测量的计量系统100的图式。
图2描绘在不阻挡传入光束的位置中的光束塑形狭缝机构的狭缝。
图3描绘在阻挡传入光束的一部分的位置中的光束塑形狭缝机构的狭缝。
图4描绘以由角度φ及θ描述的特定定向入射于晶片上的x射线照明光束。
图5是说明经配置使得x射线光学焦点定位于检测器表面处或附近的计量系统100的图式。
图6描绘通过例如计量系统100的计量系统测量的散射级的图像171。
图7描绘通过例如计量系统100的计量系统测量的散射级的图像172。
图8描绘与图4中描绘的图像172的横截面C相关联的强度轮廓的曲线图173。
图9是说明在与测量中样品分离的真空环境中含有的计量系统100的元件的图式。
图10是说明经配置以根据本文中描述的方法基于x射线散射测量数据分辨样品参数值的模型建立及分析引擎150的图式。
图11A到11C分别描绘以本文中描述的方式经受测量的典型3D快闪存储器装置190的等角视图、俯视图及横截面视图。
图12描绘说明如本文中描述那样基于小占用面积x射线散射测量测量而测量结构的示范性方法300的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的背景实例及一些实施例，在附图中说明其实例。
本文中描述用于通过具有相对小工具占用面积的透射小角度x射线散射测量(TSAXS)系统表征半导体装置的尺寸及材料性质的方法及系统。采用此类系统及技术以测量与不同半导体装置工艺相关联的结构及材料特性。在一些实例中，采用TSAXS以测量高高宽比半导体结构的临界尺寸、厚度、叠加及材料性质，包含(但不限于)自旋转移扭矩随机存取存储器(STT-RAM)、三维NAND存储器(3D-NAND)或垂直NAND存储器(V-NAND)、动态随机存取存储器(DRAM)、三维快闪存储器(3D-FLASH)、电阻性随机存取存储器(Re-RAM)及相变随机存取存储器(PC-RAM)。
高亮度TSAXS的使用实现到目标的不透明区域中的高通量x射线辐射穿透。可使用x射线散射测量测量的几何参数的实例包含孔径、孔密度、线边缘粗糙度、线宽度粗糙度、侧壁角、轮廓、临界尺寸、叠加、边缘放置误差及间距。可测量材料参数的实例包含电子密度。在一些实例中，x射线散射测量实现小于50nm的特征以及其中需要几何参数及材料参数的测量的先进半导体结构(例如STT-RAM、V-NAND、DRAM、PC-RAM及Re-RAM)的测量。
图1说明在至少一个新颖方面中用于测量样品的特性的T-SAXS计量工具100的实施例。如图1中展示，系统100可用于在通过照明光束光点照明的样品101的检验区域102上方执行T-SAXS测量。
在所描绘的实施例中，计量工具100包含经配置以产生适用于T-SAXS测量的x射线辐射的x射线照明源110。在一些实施例中，x射线照明源110经配置以产生在0.01纳米与1纳米之间的波长。一般来说，可设想能够在足以实现高处理量、线内计量的通量级下产生高亮度x射线的任何适合高亮度x射线照明源供应用于T-SAXS测量的x射线照明。在一些实施例中，x射线源包含使x射线源能够以不同可选择波长递送x射线辐射的可调谐单色器。
在一些实施例中，采用发射具有大于15keV的光子能量的辐射的一或多个x射线源以确保x射线源以允许穿过整个装置以及晶片衬底的充分透射的波长供应光。通过非限制性实例，粒子加速器源、液体阳极源、旋转阳极源、固定固体阳极源、微聚焦源、微聚焦旋转阳极源、基于等离子的源及逆康普顿(Compton)源中的任何者可用作x射线照明源110。在一个实例中，可设想可购自(美国)加利福尼亚州，帕洛阿尔托市(Palo Alto)的Lyncean技术有限公司)的逆康普顿源。逆康普顿源具有能够在光子能量的范围内产生x射线，借此使x射线源能够以不同可选择波长递送x射线辐射的额外优点。
示范性x射线源包含经配置以轰击固体或液体目标以刺激x射线辐射的电子束源。在2011年4月19日颁予科磊公司的第7,929,667号美国专利中描述用于产生高亮度、液体金属x射线照明的方法及系统，所述专利的全文以引用的方式并入本文中。
X射线照明源110在具有有限横向尺寸(即，与光束轴正交的非零尺寸)的源区域上方产生x射线发射。聚焦光学器件111将源辐射聚焦到定位于样品101上的计量目标上。有限横向源尺寸导致在目标上通过来自源的边缘的射线117界定的有限光点大小102。在一些实施例中，聚焦光学器件111包含椭圆形聚焦光学元件。
光束发散控制狭缝112定位于聚焦光学器件111与光束塑形狭缝机构120之间的光束路径中。光束发散控制狭缝112限制提供到测量中样品的照明的发散。额外中间狭缝113定位于光束发散控制狭缝112与光束塑形狭缝机构120之间的光束路径中。中间狭缝113提供额外光束塑形。然而，一般来说，中间狭缝113是任选的。
光束塑形狭缝机构120紧接在样品101之前定位于光束路径中。在一个方面中，光束塑形狭缝机构120的狭缝经定位紧密接近样品101以最小化归因于光束发散的通过有限源大小界定的入射光束光点大小的扩大。在一个实例中，针对10微米x射线源大小及光束塑形狭缝与样品101之间的25毫米的距离，归因于阴影的由有限源大小产生的光束光点大小的扩展是近似1微米。在其它实例中，光束发散由经定位距样品101小于100毫米的光束塑形狭缝控制。
在一些实施例中，光束塑形狭缝机构120包含多个独立致动的光束塑形狭缝。在一个实施例中，光束塑形狭缝机构120包含四个独立致动的光束塑形狭缝。此四个光束塑形狭缝有效地阻挡传入光束115的一部分且产生具有盒状照明横截面的照明光束116。
图2及3以两个不同配置描绘在图1中描绘的光束塑形狭缝机构120的端视图。如图2及3中说明，光束轴垂直于图式页。如图2中描绘，传入光束115具有大横截面。在一些实施例中，传入光束115具有近似1毫米的直径。此外，传入光束115在光束塑形狭缝126到129内的位置可归因于光束指向误差而具有近似3毫米的不确定性。为了适应传入光束的大小及光束位置的不确定性，每一狭缝具有近似6毫米的长度L。如图2中描绘，每一狭缝可在垂直于光束轴的方向上移动。在图2的说明中，狭缝126到129定位于距光束轴的最大距离处(即，狭缝完全敞开且其不限制光穿过光束塑形狭缝机构120)。
图3描绘在阻挡传入光束115的一部分使得经递送到测量中样品的传出光束116具有减小的大小及良好界定的形状的位置中的光束塑形狭缝机构120的狭缝126到129。如图3中描绘，狭缝126到129中的每一者已朝向光束轴向内移动以实现所要输出光束形状。
狭缝126到129由最小化散射且有效地阻挡入射辐射的材料构成。示范性材料包含单晶体材料，例如锗、砷化镓、磷化铟等。通常，沿着结晶方向***而非锯切狭缝材料以最小化跨结构边界的散射。另外，狭缝相对于传入光束定向使得传入辐射与狭缝材料的内部结构之间的相互作用产生最小量的散射。晶体附接到由高密度材料(例如，钨)制成的每一狭缝固持器以用于完全阻挡狭缝的一个侧上的x射线光束。在一些实施例中，每一狭缝具有具备近似0.5毫米的宽度及近似1到2毫米的高度的矩形横截面。如图2中描绘，狭缝的长度L是近似6毫米。
一般来说，x射线光学器件塑形x射线辐射且将x射线辐射引导到样品101。在一些实例中，x射线光学器件包含x射线单色器以使入射于样品101上的x射线光束单色化。在一些实例中，x射线光学器件使用多层x射线光学器件将x射线光束准直或聚焦到样品101的测量区域102上到小于1毫弧度发散。在这些实例中，多层x射线光学器件还用作光束单色器。在一些实施例中，x射线光学器件包含一或多个x射线准直镜、x射线孔径、x射线光束光阑、折射x射线光学器件、衍射光学器件(例如波带片)、蒙特尔(Montel)光学器件、镜面x射线光学器件(例如掠入射椭球面镜)、多毛细管光学器件(例如中空毛细管x射线波导)、多层光学器件或系统或其任何组合。在第2015/0110249号美国专利公开案中描述进一步细节，所述案的内容以全文引用的方式并入本文中。
X射线检测器119收集从样品101散射的x射线辐射114且根据T-SAXS测量模态产生指示对入射x射线辐射敏感的样品101的性质的输出信号135。在一些实施例中，由x射线检测器119收集经散射x射线114，而样品定位系统140定位且定向样品101以产生角度分辨的经散射x射线。
在一些实施例中，T-SAXS系统包含具有高动态范围(例如，大于105)的一或多个光子计数检测器。在一些实施例中，单光子计数检测器检测经检测光子的位置及数目。
在另一方面中，采用T-SAXS系统以基于散射光的一或多个衍射级确定样品的性质(例如，结构参数值)。如图1中描绘，计量工具100包含经采用以获取由检测器119产生的信号135且至少部分基于经获取信号确定样品的性质的计算系统130。
在一些实例中，基于T-SAXS的计量涉及通过使用经测量数据反解预定测量模型而确定样本的尺寸。测量模型包含数个(大约十个)可调整参数且表示样品的几何形状及光学性质以及测量系统的光学性质。反解法包含(但不限于)基于模型的回归、层析成像、机器学习或其任何组合。以此方式，通过对最小化经测量的散射x射线强度与经建模结果之间的误差的参数化测量模型的值求解而估计目标轮廓参数。
可期望以入射角及方位角的大范围执行测量以增加经测量参数值的精确度及准确度。此方法通过扩展可用于分析的数据集的数目及多样性以包含各种大角度、平面外定向来减少参数之间的相关性。举例来说，在法向定向中，T-SAXS能够分辨特征的临界尺寸，但对于特征的侧壁角及高度在很大程度上不灵敏。然而，通过收集在平面外角定向的广范围内的测量数据，可分辨特征的侧壁角及高度。在其它实例中，以入射角及方位角的大范围执行的测量提供充分分辨率及穿透深度以通过其整个深度表征高高宽比结构。
收集依据相对于晶片表面法线的x射线入射角而变化的衍射辐射的强度的测量。在多个衍射级中含有的信息在考虑中的每一模型参数之间通常是独有的。因此，x射线散射产生具有小误差及减少的参数相关性的对于所关注参数的值的估计结果。
照明x射线光束116相对于半导体晶片101的表面法线的每一定向由晶片101相对于x射线照明光束115的任何两个角旋转描述，或反之亦然。在一个实例中，可关于固定到晶片的坐标系统描述定向。图4描绘以由入射角θ及方位角φ描述的特定定向入射于晶片101上的x射线照明光束116。坐标是XYZ固定到计量系统(例如，照明射束116)且坐标是X’Y’Z’固定到晶片101。Y轴在平面中与晶片101的表面对准。X及Z不与晶片101的表面对准。Z’与垂直于晶片101的表面的轴对准，且X’及Y’在与晶片101的表面对准的平面中。如图4中描绘，x射线照明光束116与Z轴对准且因此位于XZ平面内。入射角θ描述x射线照明光束116相对于XZ平面中的晶片的表面法线的定向。此外，方位角φ描述XZ平面相对于X’Z’平面的定向。θ及φ一起独有地定义x射线照明光束116相对于晶片101的表面的定向。在此实例中，x射线照明光束相对于晶片101的表面的定向由绕垂直于晶片101的表面的轴(即，Z’轴)的旋转及绕与晶片101的表面对准的轴(即，Y轴)的旋转描述。在一些其它实例中，x射线照明光束相对于晶片101的表面的定向由绕与晶片101的表面对准的第一轴及与晶片101的表面对准且垂直于第一轴的另一轴的旋转描述。
在一个方面中，TSAXS测量系统采用在相对短光学路径长度内(例如，从照明源到检测器小于3米)的硬x射线照明(例如，15KeV或更高)来测量在相对小尺寸(例如，近似50纳米)到相对大尺寸(例如，高达10微米)的范围中的目标。一般来说，本文中描述的方法及系统实现适合用于具有减小的光学路径长度的半导体结构的计量的Q空间分辨率。
对TSAXS系统的最小可实现分辨率的几何限制通常通过最小Q值Qmin表征。Qmin由方程式(1)表达，其中p是检测器处的像素大小，D是经测量样本与检测器之间的距离，且λ是x射线辐射的波长。
如由方程式(1)说明，随着经测量样本与检测器之间的距离D减小，针对给定像素大小的最小可实现Q值增大。针对D的减小值，为了维持Q分辨率(即，Qmin的小值)，需要像素大小的成比例减小。当前最先进技术半导体计量目标的计量需要具有小于0.01nm-1的Q值的TSAXS系统，其当前无法通过受像素大小限制的商业上可行TSAXS系统实现。
虽然方程式(1)描述对Q分辨率的几何限制，但存在必须经抑制以实现几何限制的对Q分辨率的其它限制。在一个实例中，在检测器处的光学焦点的空间范围限制可实现Q分辨率。在另一实例中，在检测器处光学系统的点扩散函数(PSF)限制可实现Q分辨率。
在另一方面中，本文中描述的TSAXS测量涉及使用被聚焦在晶片表面之前小于200毫米、在晶片表面处、在检测器表面处或在晶片表面与检测器表面之间的任何位置处的x射线光束照明样本以缓解对可实现Q分辨率的光学焦点限制。一般来说，针对涉及必须使用最小可能照明光点大小照明的相对小目标的计量应用，x射线光束经聚焦更接近晶片表面。而且，针对涉及其中期望高图像分辨率及光子通量的相对大目标的计量应用，x射线光束经聚焦更接近检测器。
在一些实施例中，针对相对小目标(例如，近似50到100纳米)的测量，TSAXS测量系统的焦点定位于晶片表面处或附近，如图1中说明。通过将照明焦点定位于晶片处，测量光点大小在经测量结构处最小。此最小化归因于照明光外溢到包围所关注目标的结构上的信号污染。此配置对于大小较小的目标是优选的，其中归因于有限测量光点大小的信号污染是有限的。然而，将照明焦点定位于晶片而非检测器处引起入射于检测器上的光束大小的增加。此增加归因于光束发散的入射光束的衍射部分的重叠的可能性。此随着晶片与检测器之间的距离减小到相对小尺寸(例如，小于1米)而加剧，这是因为角度级的空间分离随着晶片与检测器之间的距离减小而减小。然而，针对小大小的目标(例如，小于100纳米)，衍射级之间的角分离相对大且本文中描述的检测器分辨率增强技术克服归因于检测器焦点限制的限制。
在其它实施例中，针对相对大目标(例如，近似1到10微米)的测量，TSAXS测量系统的焦点定位于检测器表面处或附近，如图5中说明。通过将照明焦点定位于检测器处，测量光点大小在检测器处而非在经测量目标处最小。此配置对于相对大大小的目标是优选的，其中归因于晶片处的有限测量光点大小的信号污染不受限制，这是因为归因于照明光外溢到包围所关注目标的结构上的信号污染的风险减小。然而，针对大大小的目标，衍射级之间的角分离相对小。因此，检测器处的角度级的空间分离相对小。此随着晶片与检测器之间的距离减小到相对小尺寸(例如，小于1米)而加剧。通过将照明焦点定位于检测器处，最小化归因于焦点限制的入射光束的衍射部分的重叠的可能性。此外，针对相对大目标大小，本文中描述的检测器分辨率增强技术克服归因于检测器处的级的相对小空间分离的限制。
一般来说，可将光学焦点的位置调整到经测量样本与检测器之间的任何位置，同时伴随先前描述的优点/缺点的折衷。一般来说，随着目标大小减小，优选的是移动光学焦点更接近晶片或到晶片前面，且随着目标大小增大，优选的是移动光学焦点更接近检测器。
在另一方面中，本文中描述的TSAXS测量涉及具有小PSF的高分辨率检测器以缓解对可实现Q分辨率的检测器PSF限制。无论光学焦点相对于晶片及检测器定位于何处，当晶片-检测器距离D减小到相对小值(例如，小于1米)时，高分辨率检测器是有利的。
由系统的PSF设置的Q分辨率限制取决于计量的要求及PSF的源。举例来说，在弱散射的情况下，在给定Q中，为了分辨所述Q，PSF可需要下降到10％。在其它实例中，在给定Q中，为了分辨所述Q，PSF可需要下降到1％。为了实现高Q分辨率及最短可能晶片-检测器距离D，TSAXS系统经设计以最小化Q相依PSF。在一些实例中，检测器的像素大小小于100微米且检测器PSF小于像素大小使得来自特定像素的入射衍射光的邻近像素的污染小于0.1％。
选择检测器材料以最小化透射。而且，检测器的构造最小化检测器内的PSF加宽。因此，系统PSF独立于检测器位置。举例来说，使用传统硅基检测器对硬x射线(例如，15KeV或更多)的检测遭受显著Q独立PSF。因此，需要大晶片-检测器距离D(例如，2米或更多)以执行半导体结构的计量。在减少的透射及反向散射的情况下，将PSF限制抑制到低于由方程式(1)描述的几何限制，使用小于1米的晶片-检测器距离D(例如，小到600毫米的D)实现半导体结构的计量。
在一些实施例中，TSAXS系统包含具有高量子效率及动态范围(例如，大于105)的一或多个光子计数检测器及在无损害且具有最小寄生反向散射的情况下吸收入射辐射的厚高度吸收性晶体衬底(例如，大于500微米的厚度)。在一些实施例中，单光子计数检测器检测经检测光子的位置及数目。
在一些实施例中，收集零级光束以及较高衍射级。零级光束比其它级强若干数量级。如果零级光束在检测器的X射线敏感区段中未被完全吸收，那么其将散射且产生寄生信号。这些寄生信号的强度限制测量的动态范围。举例来说，如果寄生信号是最大通量信号(即，零级信号)的10-4，那么将污染与许多更高级相关联的信号。因此，检测器(例如，检测器119)展现x射线到电子空穴对的高转换效率及高x射线吸收以增加x射线计量的有效动态范围是至关重要的。
适用于小占用面积x射线散射测量的示范性检测器材料包含碲化镉(CdTe)、锗(Ge)及砷化镓(GaAs)晶体及其它材料。在一些实施例中，选择检测器材料以提供在对应于源能量的窄能带中的高转换效率。
在一些实施例中，选择检测器材料的厚度以实现传入X射线的所要吸收。在一些实施例中，使检测器相对于传入X射线光束(各种衍射级)倾斜以增加穿过检测器材料的X射线光束的路径长度且因此，增加总吸收量。
在一些实施例中，采用双阈值检测器以改进SNR。
在另一方面中，采用TSAXS系统以基于多个经测量衍射级确定样品的性质(例如，结构参数值)。如图1中描绘，计量工具100包含经采用以获取由检测器119产生的信号135且至少部分基于经获取信号确定样品的性质的计算系统130。
在TSAXS测量中，高高宽比、经制造结构将准直x射线光束衍射到衍射级。每一衍射级在特定可预测方向上行进。衍射级的角度间距与样品的晶格常数除以波长成反比。衍射级由放置于距晶片某个距离处的检测器阵列检测。检测器的每一像素输出指示命中像素的光子的数目的信号。
衍射级的强度具有I(m,n,θ,φ,λ)形式，其中{m,n}是衍射级的整数指数，{θ,φ}是入射光束的仰角及方位角(即，入射主射线相对于固定到晶片的坐标系统的极坐标)，且λ是入射X射线的波长。
若干噪声源在照明光离开照明且传播朝向样品时扰动所述照明光。示范性干扰包含电子束电流波动、温度引发的光学器件漂移等。将受扰动入射通量表示为F0(1+n1)。
目标以取决于入射光束的方位角及仰角的方式散射入射辐射。可将散射成级(m,n)的光的效率定义为Smn(θ,φ)。在经衍射光从样品传播到检测器时，光束穿过类似地影响所有级且具有某一变化(1+n2)及寄生噪声(n3)的其它散射介质。以此方式，以时间t测量的每一级的总强度Imn可由方程式(2)表达。
Imn＝Smn(θ，φ)(1+n2)(1+n1)F0t+n3 (2)
图6描绘通过例如计量系统100的计量系统测量的经散射级的图像171。如图6中说明，在图像中心中的亮光点与零级光束相关联。
可以许多方式提取每一级的强度。在一些实施例中，衍射级可在检测器处空间分离。在这些实施例中，由检测器阵列个别地检测衍射级，且组合(即，添加)与相同衍射级相关联的像素的输出。以此方式，通过积累与每一特定衍射级相关联的像素的光子计数而区别经检测衍射级。此案例更有可能在测量相对小节距特征时或在使用具有相对小发散的光束测量时发生。
在一些其它实施例中，衍射级在空间上重叠。此在对具有相对小晶片-检测器距离D(例如，D小于2米)的相对大目标(例如，具有1微米或更多的间距的目标)执行TSAXS计量时或在使用具有相对大发散的光束测量时是典型的。在这些实施例中，在Q空间中分离衍射级以估计所关注结构参数的值。在一些这些实施例中，基于可用光束形状信息估计衍射级的形状且采用准确光束模型来考虑归因于重叠的Q分辨率损耗。此对于满足装置上计量的要求尤其重要。一些现存计量系统无法执行重叠级的分离，这是因为系统采用防止存取估计衍射级的形状所需的光束形状信息的光束光阑。在马祖(Mazor)等人的标题为“X射线散射测量设备(X-ray scatterometry apparatus)”的第9,606,073号美国专利中描述此系统，所述专利的内容以全文引用的方式并入本文中。
当衍射级在空间上重叠于检测器处时，无法仅组合像素输出以确定与特定衍射级相关联的强度。在这些实施例中，采用测量模型以对衍射级解卷积以鉴别每一经检测衍射级的经测量强度。
在一些实施例中，基于经测量零级光束形状而对经重叠级解卷积。在一些实施例中，实时执行此解卷积。基于零级光束的轮廓而建模较高经衍射级(即，大于零的级)的光束轮廓。图7描绘由计量系统(例如计量系统100)测量的经散射级的图像172。图8描绘与图7中所描绘的图像172的横截面C相关联的强度轮廓的图表173。相对高强度零级光束提供用来建模较高衍射级的极准确光束轮廓。
在一些实施例中，通过简单强度除法或以其它方式相对于经测量零级而估计每一较高衍射级的强度。以此方式，显著降低与相对弱、较高级信号相关联的测量不确定性。
通过基于同时经测量零级光束而估计较高衍射级的强度，在数据收集期间使散射信号与数据系统扰动分离。实时减轻归因于光学组件(例如，狭缝、光学器件、光点形状)的未对准的扰动及沿光束路径(例如，n1及n2)的扰动。通过使用所有经散射强度(包含零级)，使经散射强度对经测量样品的厚度或材料密度的相依性与晶片之前及之后的通量扰动隔离。
高能量光子到检测器的晶体中的电子云的物理转换还对高q分辨率、短光学路径长度TSAXS系统设置检测限制。当像素大小足够小以执行半导体结构的短光学路径长度TAXS计量时，电子云引起跨若干像素检测单光子事件。
在另一方面中，由光子转换事件刺激的电子云的质心的位置由检测器(例如，检测器119)计算。质心的位置以子像素准确度提供入射光子的位置。此有效地减小像素大小且实现超出由方程式(1)描述的几何限制的Q分辨率。如本文中描述的子像素空间内插对于具有小于1米的晶片-检测器距离的半导体结构的TSAXS测量是优选的。
在一些实施例中，具有相对短光学路径长度的TSAXS系统经配置具有入射于垂直定位(即，垂直于晶片表面近似垂直于重力向量)的晶片上的水平光学路径。然而，在一些其它实施例中，具有相对短光学路径长度的TSAXS系统经配置具有入射于水平定位(即，垂直于晶片表面近似平行于重力向量)的晶片上的垂直光学路径。通过垂直定向光束线，可实现较小工具占用面积且简化晶片处置。
在另一方面中，x射线检测器分辨一或多个x射线光子能量且针对每一x射线能量分量产生指示样品的性质的信号。在一些实施例中，x射线检测器119包含CCD阵列、微通道板、光电二极管阵列、微带比例计数器、充气比例计数器、闪烁器或荧光材料中的任何者。
以此方式，除了像素位置及计数的数目之外，还通过能量鉴别检测器内的X射线光子相互作用。在一些实施例中，通过比较X射线光子相互作用的能量与经预先确定上阈值及经预先确定下阈值而鉴别X射线光子相互作用。在一个实施例中，经由输出信号135将此信息传达到计算系统130以用于进一步处理及存储。
在一些实施例中，经测量目标在一个维度上是周期性的(例如，FinFET结构)。因而，仅需要在一个方向上最小化在检测器处TSAXS系统的PSF。然而，在一些其它实施例中，经测量目标在两个维度上是周期性的(例如，VNAND接点)。在这些实施例中，在两个方向上最小化在检测器处TSAXS系统的PSF是有利的。
在另一方面中，TSAXS系统经配置以在一个方向上基于空间分离级但在正交方向上基于重叠级而测量目标。在一些这些实施例中，在其中空间分离衍射级的方向上确定一或多个所关注参数的(若干)值。随后采用这些参数值以基于重叠级确定一或多个所关注参数的(若干)值。
在一些实施例中，x射线照明源110、聚焦光学器件111、狭缝112及113或其任何组合维持于与样品101相同的大气环境(例如，气体冲洗环境)中。然而，在一些实施例中，任何这些元件之间及内的光学路径长度是长的且在空气中散射的X射线给检测器上的图像带来噪声。因此，在一些实施例中，x射线照明源110、聚焦光学器件111以及狭缝112及113中的任何者维持于通过真空窗彼此分离及与样品(例如，样品101)分离的局部真空环境中。
类似地，在一些实施例中，x射线检测器119维持于与样品101相同的大气环境(例如，气体冲洗环境)中。然而，在一些实施例中，样品101与x射线检测器119之间的距离是长的且在空气中散射的x射线给经检测信号带来噪声。因此，在一些实施例中，x射线检测器(例如，检测器119)中的一或多者维持于通过真空窗而与样品(例如，样品101)分离的局部真空环境中。
图9是说明含有x射线照明源110的真空腔室160、含有聚焦光学器件111的真空腔室162以及含有狭缝112及113的真空腔室163的图式。每一真空腔室的开口由真空窗覆盖。举例来说，真空腔室160的开口由真空窗161覆盖。类似地，真空腔室163的开口由真空窗164覆盖。真空窗可由对x射线辐射基本上透明的任何适合材料(例如，卡普顿(Kapton)、铍等)构成。在每一真空腔室内维持适合真空环境以最小化照明光束的散射。适合真空环境可包含任何适合水平的真空、包含具有小原子序数的气体(例如，氦)的任何适合冲洗环境。以此方式，尽可能多的光束路径定位在真空中以最大化通量且最小化散射。
在一些实施例中，将包含样品101的整个光学系统维持于真空中。然而，一般来说，与将样品101维持于真空中相关联的成本归因于与样品定位系统140的构造相关联的复杂性而较高。
在又另一方面中，光束塑形狭缝机构120与真空腔室163机械地集成以最小化经受大气环境的光束路径长度。一般来说，可期望在入射样品101之前将尽可能多的光束囊封于真空中。在一些实施例中，真空光束线在光束塑形狭缝机构120的输入处延伸到中空圆柱状腔中。真空窗164定位于光束塑形狭缝机构120内真空腔室163的输出处使得传入光束115保持在光束塑形狭缝机构120的一部分内的真空中，接着在与狭缝126到129中的任何者及样品101的相互作用之前穿过真空窗164。
在图1中描绘的实施例中，聚焦光学器件111、狭缝112及113以及光束塑形狭缝机构120维持在飞行管118内的受控制环境(例如，真空)中。
在又另一方面中，计算系统130经配置以产生样品的经测量结构的结构模型(例如，几何模型、材料模型或组合的几何及材料模型)，产生包含来自结构模型的至少一个几何参数的TSAXS响应模型且通过使用TSAXS响应模型执行TSAXS测量数据的拟合分析而分辨至少一个样品参数值。使用分析引擎以比较经模拟TSAXS信号与经测量数据，借此允许确定几何以及材料性质(例如样本的电子密度)。在图1中描绘的实施例中，计算系统130经配置为模型建立及分析引擎，所述模型建立及分析引擎经配置以实施如本文中描述的模型建立及分析功能性。
图10是说明由计算系统130实施的示范性模型建立及分析引擎150的图。如图10中描绘，模型建立及分析引擎150包含产生样品的经测量结构的结构模型152的结构模型建立模块151。在一些实施例中，结构模型152还包含样品的材料性质。接收结构模型152作为到TSAXS响应函数建立模块153的输入。TSAXS响应函数建立模块153至少部分基于结构模型152产生TSAXS响应函数模型155。在一些实例中，TSAXS响应函数模型155是基于x射线形状因子，
其中F是形状因子，q是散射向量，且ρ(r)是球面坐标中样品的电子密度。接着通过以下给定x射线散射强度
接收TSAXS响应函数模型155作为到拟合分析模块157的输入。拟合分析模块157比较建模TSAXS响应与对应经测量数据以确定样品的几何以及材料性质。
在一些实例中，通过最小化卡方值而实现建模数据到实验数据的拟合。举例来说，针对TSAXS测量，卡方值可定义为
其中是在“通道”j中的经测量TSAXS信号135，其中指数j描述一组系统参数，例如衍射级、能量、角坐标等。是针对一组结构(目标)参数v1，...，vL评估的针对“通过”j的建模TSAXS信号Sj，其中这些参数描述几何(CD、侧壁角、叠加等)及材料(电子密度等)。σSAXS，j是与第j个通道相关联的不确定性。NSAXS是在x射线计量中的通道的总数目。L是表征计量目标的参数的数目。
方程式(5)假定与不同通道相关联的不确定性不相关。在其中与不同通道相关联的不确定性相关的实例中，可计算不确定性之间的协方差。在这些实例中，针对x射线散射测量测量的卡方值可表达为
其中VSAXS是SAXS通道不确定性的协方差矩阵且T表示转置。
在一些实例中，拟合分析模块157通过使用TSAXS响应模型155对TSAXS测量数据135执行拟合分析而分辨至少一个样品参数值。在一些实例中，优化
如前文描述，通过最小化卡方值而实现TSAXS数据的拟合。然而，一般来说，可通过其它函数实现TSAXS数据的拟合。
TSAXS数据的拟合对于提供对所关注几何及/或材料参数的灵敏度的任何类型的TSAXS技术是有利的。样品参数可为确定性(例如，CD、SWA等)或统计性(例如，侧壁粗糙度的均方根高度、粗糙度相关性长度等)，只要使用描述与样品的TSAXS光束相互作用的适当模型。
一般来说，计算系统130经配置以采用实时临界尺寸(RTCD)实时存取模型参数，或其可存取预计算模型库以确定与样品101相关联的至少一个样品参数值的值。一般来说，可使用某个形式的CD引擎以评估样品的经指派CD参数同与经测量样品相关联的CD参数之间的差异。在2010年11月2日颁予科磊公司的第7,826,071号美国专利中描述用于计算样品参数值的示范性方法及系统，所述专利的全文以引用的方式并入本文中。
在一些实例中，模型建立及分析引擎150通过侧馈分析、前馈分析及平行分析的任何组合而改进经测量参数的准确度。侧馈分析是指在相同样品的不同区域上获取多个数据集且将从第一数据集确定的共同参数传递到第二数据集上以用于分析。前馈分析是指在不同样品上获取数据集且使用逐步复制精确参数前馈方法将共同参数正向传递到后续分析。平行分析是指将非线性拟合方法平行或同时应用到多个数据集，其中在拟合期间耦合至少一个共同参数。
多工具及结构分析是指基于回归、查找表(即，“库”匹配)或多个数据集的另一拟合程序的前馈、侧馈或平行分析。在2009年1月13日颁予科磊公司的第7,478,019号美国专利中描述用于多工具及结构分析的示范性方法及系统，所述专利的全文以引用的方式并入本文中。
在一个另一方面中，计量工具100包含经配置以实施如本文中描述的光束控制功能性的计算系统(例如，计算系统130)。在图1中描绘的实施例中，计算系统130经配置为可操作以控制例如入射照明光束117的强度、发散、光点大小、偏光、光谱及定位的任何照明性质的光束控制器。
如图1中说明，计算系统130通信地耦合到检测器119。计算系统130经配置以从检测器119接收测量数据135。在一个实例中，测量数据135包含样品的经测量响应的指示(即，衍射级的强度)。基于经测量响应在检测器119的表面上的分布，通过计算系统130确定照明光束116入射于样品101上的位置及区域。在一个实例中，通过计算系统130应用图案辨识技术以基于测量数据135确定照明光束116入射于样品101上的位置及区域。在一些实例中，计算系统130将命令信号137传达到照明源110以选择所要照明波长且将命令信号136传达到光束塑形机构120以重导引且重新塑形照明光束116，使得入射照明光束116到达相对于样品101的所要位置及角定向。在一些其它实例中，计算系统130将命令信号传达到晶片定位系统140以定位且定向样品101，使得入射照明光束116到达相对于样品101的所要位置及角定向。
在另一方面中，使用x射线散射测量测量数据以基于经检测衍射级的经测量强度产生经测量结构的图像。在一些实施例中，一般化TSAXS响应函数模型以描述从通用电子密度网的散射。使此模型与经测量信号匹配，同时约束此网中的建模电子密度以实施连续及稀疏边缘提供样本的三维图像。
虽然基于模型的几何参数反演对于基于TSAXS测量的临界尺寸(CD)计量是优选的，但从相同TSAXS数据产生的样品的图可用于当经测量样品偏离几何模型的假定时识别且校正模型误差。
在一些实例中，比较图像与由相同散射测量测量数据的基于模型的几何参数反演估计的结构特性。使用差异以更新经测量结构的几何模型且改进测量性能。收敛于准确参数测量模型的能力在测量集成电路以控制、监测且故障查找其装置工艺时尤其重要。
在一些实例中，图像是电子密度、吸收性、复折射率或这些材料特性的组合的二维(2-D)图。在一些实例中，图像是电子密度、吸收性、复折射率或这些材料特性的组合的三维(3-D)图。使用相对少的物理约束产生所述图。在一些实例中，直接从所得图估计一或多个所关注参数，例如临界尺寸(CD)、侧壁角(SWA)、叠加、边缘放置误差、节距游动(pitchwalk)等。在一些其它实例中，图可用于当样本几何形状或材料偏离到由用于基于模型的CD测量的参数结构模型所设想的预期值的范围之外时对晶片过程除错。在一个实例中，使用图与由参数结构模型根据其经测量参数预测的结构的再现之间的差异，以更新参数结构模型且改进其测量性能。在第2015/0300965号美国专利公开案中描述进一步细节，所述案的内容以全文引用的方式并入本文中。在第2015/0117610号美国专利公开案中描述额外细节，所述案的内容以全文引用的方式并入本文中。
在另一方面中，采用模型建立及分析引擎150以产生针对组合的x射线及光学测量分析的模型。在一些实例中，光学模拟是基于(例如)严格耦合波分析(RCWA)，其中求解马克士威(Maxwell)方程式以计算光学信号，例如针对不同偏光的反射率、椭偏测量参数、相位变化等。
基于使用组合的几何参数化响应模型的以多个不同入射角的x射线衍射级的经检测强度及经检测光学强度的组合拟合分析来确定一或多个所关注参数的值。通过可机械地集成或可未集成x射线计量系统(例如图1中描绘的系统100)的光学计量工具测量光学强度。在第2014/0019097号美国专利公开案及第2013/0304424号美国专利公开案中描述进一步细节，所述案中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。
在一些实施例中，如本文中描述的由x射线散射测量测量表征的计量目标定位于经测量晶片的刻划道内。在这些实施例中，计量目标经定大小以配合于刻划道的宽度内。在一些实例中，刻划道宽度小于80微米。在一些实例中，刻划道小于50微米。一般来说，半导体制造中采用的刻划道的宽度趋于较小。
在一些实施例中，如本文中描述的由x射线散射测量测量表征的计量目标定位于经测量晶片的有源裸片区域内且是功能集成电路的一部分(例如，存储器、图像传感器、逻辑装置等)。
一般来说，计量目标通过定义为计量目标的最大高度尺寸(即，垂直于晶片表面的尺寸)除以最大横向范围尺寸(即，与晶片表面对准的尺寸)的高宽比表征。在一些实施例中，经测量计量目标具有至少20的高宽比。在一些实施例中，计量目标具有至少40的高宽比。
图11A到11C分别描绘以本文中描述的方式经受测量的典型3D快闪存储器装置190的等角视图、俯视图及横截面视图。存储器装置190的总高度(或等效地，深度)在从1微米到若干微米的范围内。存储器装置190是垂直制造装置。垂直制造装置(例如存储器装置190)将常规平坦存储器装置基本上转动90度，使位线及单元串垂直定向(垂直于晶片表面)。为了提供足够存储器容量，大量不同材料的交替层沉积于晶片上。此需要图案化过程针对具有100纳米或更少的最大横向范围的结构良好执行到若干微米的深度。因此，25对1或50对1的高宽比并非罕见。
应认知，可由单个计算机系统130或替代地多计算机系统130实行贯穿本发明描述的各种步骤。而且，系统100的不同子系统(例如样品定位系统140)可包含适合于实行本文中描述的步骤的至少一部分的计算机系统。因此，不应将前述描述解译为对本发明的限制，而仅为说明。此外，一或多个计算系统130可经配置以执行本文中描述的任何方法实施例的任何(若干)其它步骤。
另外，计算机系统130可以所属领域中已知的任何方式通信地耦合到检测器119及照明光学元件。举例来说，一或多个计算系统130可耦合到与检测器119相关联的计算系统。在另一实例中，可通过耦合到计算机系统130的单个计算机系统直接控制检测器119。
计算机系统130可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的传输媒体从系统的子系统(例如，检测器119及类似物)接收及/或获取数据或信息。以此方式，传输媒体可充当计算机系统130与系统100的其它子系统之间的数据链路。
计量系统100的计算机系统130可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的传输媒体从其它系统接收及/或获取数据或信息(例如，测量结果、建模输入、建模结果等)。以此方式，传输媒体可充当计算机系统130与其它系统(例如，存储器板上计量系统100、外部存储器或外部系统)之间的数据链路。举例来说，计算系统130可经配置以经由数据链路而从存储媒体(即，存储器132或180)接收测量数据(例如，信号135)。举例来说，由检测器119测量的强度可存储于永久或半永久存储器装置(例如，存储器132或180)中。在此方面，可从板上存储器或从外部存储器系统导入测量结果。而且，计算机系统130可经由传输媒体而将数据发送到其它系统。举例来说，由计算机系统130确定的样品参数值170可存储于永久或半永久存储器装置(例如，存储器180)中。在此方面，可将测量结果导出到另一系统。
计算系统130可包含(但不限于)个人计算机系统、主计算机系统、工作站、图像计算机、平行处理器或所属领域中已知的任何其它装置。一般来说，术语“计算系统”可广泛地定义为涵盖具有执行来自存储器媒体的指令的一或多个处理器的任何装置。
可经由例如导线、电缆或无线传输链路的传输媒体传输实施例如本文中描述的方法的方法的程序指令134。举例来说，如图1中说明，经由总线133而将存储于存储器132中的程序指令传输到处理器131。程序指令134存储于计算机可读媒体(例如，存储器132)中。示范性计算机可读媒体包含只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘或磁带。
在一些实施例中，实施如本文中描述的散射测量分析作为装置工艺工具的部分。装置工艺工具的实例包含(但不限于)光刻曝光工具、膜沉积工具、植入工具及蚀刻工具。以此方式，使用TSAXS分析的结果以控制装置工艺。在一个实例中，将从一或多个目标收集的TSAXS测量数据发送到装置工艺工具。如本文中描述那样分析TSAXS测量数据且结果用于调整装置工艺工具的操作。
可使用如本文中描述的散射测量测量以确定各种半导体结构的特性。示范性结构包含(但不限于)FinFET、低维结构(例如纳米线或石墨烯)、亚10nm结构、光刻结构、衬底穿孔(TSV)、存储器结构(例如DRAM、DRAM 4F2、FLASH、MRAM)及高高宽比存储器结构。示范性结构特性包含(但不限于)几何参数(例如线边缘粗糙度、线宽度粗糙度、孔径、孔密度、侧壁角、轮廓、临界尺寸、节距)及材料参数(例如电子密度、组合物、晶粒结构、形态、应力、应变及元素识别)。
图14说明适合于由本发明的计量系统100实施的方法300。在一个方面中，应认知，可经由由计算系统130的一或多个处理器执行的预编程算法实行方法300的数据处理框。虽然在计量系统100的上下文中提出以下描述，但本文中应认知，计量系统100的特定结构方面不表示限制且应仅解译为说明性。
在框301中，使用15千电子伏特或更高的能级的x射线辐射的光束照明形成于晶片表面上的测量目标。
在框302中，响应于入射光束而检测与从测量目标散射的一定量的辐射的多个衍射级相关联的强度。照明源与检测器之间的光学路径长度小于3米。另外，多个衍射级中的两者或两者以上在空间上重叠于检测器表面上。
在框303中，基于零衍射级的光束形状确定重叠衍射级中的每一者的强度。
在框304中，基于多个衍射级的强度确定与测量目标相关联的所关注参数的值。
如本文中描述，术语“临界尺寸”包含结构的任何临界尺寸(例如，底部临界尺寸、中间临界尺寸、顶部临界尺寸、侧壁角、光栅高度等)、任何两个或两个以上结构之间的临界尺寸(例如，两个结构之间的距离)及两个或两个以上结构之间的位移(例如，叠加光栅结构之间的叠加位移等)。结构可包含三维结构、图案化结构、叠加结构等。
如本文中描述，术语“临界尺寸应用”或“临界尺寸测量应用”包含任何临界尺寸测量。
如本文中描述，术语“计量系统”包含至少部分采用以在任何方面中表征样品的任何系统，包含临界尺寸应用及叠加计量应用。然而，此类技术术语不限制如本文中描述的术语“计量系统”的范围。另外，本文中描述的计量系统可经配置以测量图案化晶片及/或未经图案化晶片。计量系统可配置为LED检验工具、边缘检验工具、背侧检验工具、宏检验工具或多模式检验工具(涉及同时来自一或多个平台的数据)及受益于本文中描述的测量技术的任何其它计量或检验工具。
本文中针对可用于处理样品的半导体处理系统(例如，检验系统或光刻系统)描述各个实施例。术语“样品”在本文中用以指晶片、光罩或可通过所属领域中已知的构件处理(例如，印刷或检验缺陷)的任何其它样本。
如本文中使用，术语“晶片”大体上是指由半导体或非半导体材料形成的衬底。实例包含(但不限于)单晶硅、砷化镓及磷化铟。此类衬底通常可在半导体制造厂中找到及/或处理。在一些情况中，晶片可仅包含衬底(即，裸晶片)。替代地，晶片可包含形成于衬底上的一或多个不同材料层。形成于晶片上的一或多个层可“经图案化”或“未经图案化”。举例来说，晶片可包含具有可重复图案特征的多个裸片。
“光罩”可为处于光罩装置工艺的任何阶段的光罩，或为可能或可能未经释放以于半导体制造厂中使用的完成光罩。光罩或“掩模”大体上定义为具有形成于其上且以图案配置的基本上不透明区域的基本上透射衬底。衬底可包含(例如)玻璃材料，例如非晶SiO2。可在光刻过程的曝光步骤期间将光罩安置于覆盖有抗蚀剂的晶片上方，使得可将光罩上的图案转印到抗蚀剂。
形成于晶片上的一或多个层可经图案化或未经图案化。例如，晶片可包含各自具有可重复图案特征的多个裸片。此类材料层的形成及处理最终可导致完成装置。许多不同类型的装置可形成于晶片上，且如本文中使用的术语晶片希望涵盖其上制造所属领域中已知的任何类型的装置的晶片。
在一或多个示范性实施例中，所描述的功能可实施于硬件、软件、固件或其任何组合中。如果在软件中实施，那么功能可作为一或多个指令或代码存储于计算机可读媒体上或经由所述计算机可读媒体传输。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及通信媒体两者，包含促进计算机程序从一位置到另一位置的传送的任何媒体。存储媒体可为可通过通用计算机或专用计算机存取的任何可用媒体。举例来说(且非限制)，此计算机可读媒体可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁性存储装置或可用于载送或存储呈指令或数据结构的形式的所要程序代码构件且可通过通用计算机或专用计算机或通用或专用处理器存取的任何其它媒体。而且，任何连接可被适当地称为计算机可读媒体。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或无线技术(例如红外线、无线电及微波)从网站、服务器或其它远程源传输软件，那么同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或无线技术(例如红外线、无线电及微波)包含于媒体的定义中。如本文中使用，磁盘及光盘包含光盘(CD)、激光光盘、XRF碟、数字多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地重现数据而光盘用激光光学地重现数据。上述组合也应包含于计算机可读媒体的范围内。
尽管上文为指导目的而描述某些特定实施例，但本专利文献的教示具有一般适用性且不限于上文中描述的特定实施例。因此，在不脱离如权利要求书中陈述的本发明的范围的情况下，可实践所描述的实施例的各种特征的各种修改、调适及组合。