專利名稱：用于現(xiàn)場監(jiān)視器和膜厚及溝槽深度控制的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體加工。更具體地說，本發(fā)明涉及用于在半導(dǎo)體工藝中監(jiān)視膜厚和溝槽深度的系統(tǒng)、方法和計算的程序產(chǎn)品。
相關(guān)技術(shù)例如用于制造集成電路和微電機系統(tǒng)(MEMS)的半導(dǎo)體加工技術(shù)采用旨在層中產(chǎn)生或去除材料膜、或者產(chǎn)生或去除層的選擇性部分以便在這些層上產(chǎn)生表面圖案的多個加工步驟。例子包括等離子蝕刻和化學氣相淀積工藝。
通常需要這些工藝的最終結(jié)果具有精確控制的尺寸，例如膜的厚度或者溝槽的深度。一個例子是在硅中溝槽的挖掘(excavation)，以便通過淺槽隔離(STI)工藝來制作晶體管。在這種情況下，引入的部分是其上已經(jīng)淀積了包括多個層的疊層的硅晶圓。頂層是一個掩膜，通常是光刻膠，其中具有溝槽形式的開口。在STI工藝期間，在掩膜中存在開口的地方，通過將溝槽蝕刻到硅中，開口的圖案將轉(zhuǎn)移到硅中。在該步驟期間，掩膜本身也可能被蝕刻。理想的是將硅中溝槽的最終深度控制在幾納米之內(nèi)。因為溝槽是從掩膜和所有隨后的層開鑿到硅中的，因此獲知溝槽進入硅中的深度既需要獲知總的溝槽深度，也需要獲知所有中間層的厚度。
通常通過保持引入晶圓上的層的厚度的嚴格控制以及保持蝕刻工藝自身的嚴格控制來獲得這種高精度?，F(xiàn)有技術(shù)通過采用復(fù)雜的多步驟方法來獲得必須的控制度。一旦認為蝕刻工藝穩(wěn)定，則在一個或多個測試情況下運行該蝕刻工藝。然后將所得到的晶圓拿到度量臺，在那里測量有關(guān)的厚度和深度。度量技術(shù)通常是掃描電鏡(SEM)或者原子力顯微術(shù)(AFM)，它們是破壞性的，或者是光學測量法。這些測量提供了校準，這使得可以推斷蝕刻率。然后可以僅僅通過控制蝕刻步驟的時間來獲得層厚或者溝槽深度所需的精度。在生產(chǎn)蝕刻期間，從生產(chǎn)中定期地抽出額外的晶圓，并且使用上述技術(shù)對其進行測量，以確保該工藝保持在控制之下。如果需要的話，然后對蝕刻時間或者蝕刻率進行調(diào)節(jié)，以便使厚度或者深度返回目標值。
盡管這種技術(shù)可以較好地實現(xiàn)所需的控制，但是它有兩個方面不理想。首先是為了執(zhí)行校準測量在材料、時間和勞力上的成本。其次，這種操作模式需要比否則必須的更加精確地保持工藝。
然后需要周期性的測量來確保維持所需的控制。如果使用破壞性的測量技術(shù)，則以損失產(chǎn)品的形式帶來額外的成本。最終，如果失去控制，到已經(jīng)執(zhí)行了所需的測量從而這變得已知的時候，則已經(jīng)生產(chǎn)出額外的不合格的產(chǎn)品。
由于這個原因，理想的是具有這樣一種技術(shù)，該技術(shù)允許在生產(chǎn)蝕刻期間可以對每個晶圓連續(xù)地、現(xiàn)場地測量溝槽深度和層厚?，F(xiàn)場測量溝槽深度和層厚將會減小離線度量步驟的需求，排除了不合格產(chǎn)品的生產(chǎn)，并且允許工藝控制可以使用更大的容差。然而，現(xiàn)場進行測量，比在專用度量臺上進行測量更加困難。不可能考慮需要與晶圓接觸的方法或者是破壞性的方法，因此優(yōu)選光學方法?，F(xiàn)有技術(shù)中存在與現(xiàn)場實時測量兼容的光學方法，但是通常對于在當前關(guān)注的圖案化的器件晶圓上測量數(shù)值還不太完善。
例如，在Nishizawa等人的美國專利號5587792中公開了一種用于測量多層膜疊層中的層厚的方法，這里將其全文引入作為參考。Nishizawa等人介紹了一種用于通過用波長范圍在可見光和紅外光譜之間的光照射該多層半導(dǎo)體膜以及用于從該多層膜反射的光的連續(xù)光譜測定的光度(photometry)系統(tǒng)，例如邁克爾遜干涉儀來測量薄半導(dǎo)體多層膜的層厚的裝置。將從多層膜反射的光的干涉波形色散光譜與通過利用光學特性矩陣的數(shù)值計算得到波形進行比較。從空間干涉波形的計算分析中得到的各個層厚值與實際測量值進行波形擬合。當改變層厚的近似值時重新計算理論的干涉光譜直到獲得匹配，以獲得精確的各個層厚。
上述膜厚測量技術(shù)需要均質(zhì)膜疊層存在于被測量的整個區(qū)域?，F(xiàn)代器件晶圓(device wafer)的特征是小且被致密地封裝，因此使該技術(shù)適合于這種晶圓可能需要使用非常小的光學探針(即，照明點)，并且可能還需要使光束轉(zhuǎn)而位于理想?yún)^(qū)域來進行測量的能力。對于現(xiàn)場測量來說這樣做是困難且不實際的。
Kondo在美國專利號4988198和Wickramasinghe在美國專利號5392118中介紹了用于測量溝槽深度的方法，這里將它們中的每一篇都全文引入作為參考。這些方法利用了當光束從溝槽的頂部和底部兩個地方部分反射時發(fā)生的干涉現(xiàn)象。從晶圓反射的光信號中相鄰的最小值或最大值的間隔推斷出溝槽深度?？梢宰鳛闀r間的函數(shù)來監(jiān)測該反射，在這種情況下僅僅得到相對的深度信息。也可以當波長或入射角變化時來監(jiān)測它，在這種情況下可以得到絕對的深度信息。
這些方法對于類似上述STI的情況的問題也是不夠的，因為它們只能得到總的溝槽深度。當溝槽切進多層結(jié)構(gòu)時它們?nèi)匀浑y以應(yīng)用。
近來已經(jīng)努力通過使用更加復(fù)雜的算法結(jié)合光學反射計來克服這些限制。想法是使用寬的波長范圍，并且對在包括兩個或者多個分離區(qū)域的晶圓上的擴展點測量光譜反射率，所述兩個或者多個分離區(qū)域中的每一個都具有不同的可能是多層的膜疊層。通過認識到各個區(qū)域的上表面可能不是全都處于單個平面上來調(diào)節(jié)(accommodate)晶圓上的表面地貌。
上述所有的現(xiàn)有技術(shù)方法都利用了我們所關(guān)注的這一類結(jié)構(gòu)的反射率是由多重干涉效應(yīng)來決定這一事實。可以認為已經(jīng)從該結(jié)構(gòu)反射然后被檢測的可見光子已經(jīng)選取了大量可選擇路徑中的任意一條。這些路徑的不同之處在于從晶圓平面中的不同區(qū)域反射，如果這些區(qū)域的間隔距離小于光的橫向相干長度的話。還存在著在界面處經(jīng)歷不同反射組合的路徑，假如它們的長度差不超過光的縱向相干長度的話。來自所有這些路徑的貢獻加在一起，并且它們相對的相位決定它們是破壞性地加還是建設(shè)性地加，由此得到觀察的信號的強度。所述相位由路徑長度差與波長的比率來確定。當干涉主要是建設(shè)性的時，反射率高，而當其主要是破壞性的時，則反射率低。這是關(guān)于層厚和溝槽深度的信息隱含在反射光譜中的主要方式。反射率的大小以及從一個波長到另一個波長的大小變化的幅度主要由各個界面處折射率不連續(xù)性尺寸和不同區(qū)域的相對尺寸決定——伴隨著我們設(shè)法監(jiān)視的結(jié)構(gòu)的垂直尺寸的事物，盡管如果反射率將要與光學模型匹配的話它們很重要。
這些方法依靠的是使用光學反射率模型，該模型詳細得足以說明測量點內(nèi)的每個不同區(qū)域。該模型采用了幾個參數(shù)的函數(shù)形式。每個分離區(qū)域內(nèi)的每個層厚和每個溝槽深度由該模型中的一個參數(shù)代表。通常也會有其他參數(shù)。通過改變相應(yīng)參數(shù)的值直到使觀察的光譜和模型之間的差值最小化來實現(xiàn)未知層厚和溝槽深度的測量。
Solomon等人在美國專利號5900633中公開了該方法的總的介紹，這里將其全文引入作為參考。在制造期間制造的層的厚度和組成可以使用測量點來確定，該測量點足夠大以便照射由其圖案化的特征產(chǎn)生的樣品的兩個或多個不同區(qū)域的面積，通常在可再現(xiàn)的位置。測量反射系數(shù)、透射系數(shù)和輻射光譜(radiance spectrance)中的一個或者多個，并且使用例如發(fā)散輻射(emanating radiation)的偏振和幅度的基于模型的分析來得到描述圖案化的區(qū)域中的厚度和組成的各種參數(shù)，迭代調(diào)節(jié)所述模型參數(shù)，以實現(xiàn)與測量值的匹配。既可以在處理步驟起效之前也可以在處理步驟起效之后進行測量，和/或通過使用從經(jīng)歷了相同工藝的指定樣品上的相同位置的測量，以減少參考模型中未知參數(shù)的數(shù)量，由此增加該方法的實用性和速度。
Scheiner等人在美國專利號6281974B1中公開了與上述剛剛介紹的方法基本相同的另一份說明，這里也將其全文引入作為參考。Scheiner等人聲稱該測量方法使用圖案化的結(jié)構(gòu)的至少一個想要的參數(shù)，該結(jié)構(gòu)具有由其制造的某個工藝限定的多個特征。該結(jié)構(gòu)代表具有由至少兩個局部相鄰的元件形成的至少一個周期的柵格，所述元件具有關(guān)于入射的輻射的不同光學特性。該方法還采用基于該結(jié)構(gòu)的至少一些特征，并且能夠確定代表從該結(jié)構(gòu)鏡面反射的不同波長的光分量的光度計強度的理論數(shù)據(jù)的光學模型。該光學模型還能夠計算該結(jié)構(gòu)的想要的參數(shù)。本質(zhì)上，基本上大于所述柵格周期限定的該結(jié)構(gòu)的表面面積的測量面積由預(yù)設(shè)的基本上寬的波長范圍的入射輻射來照明。檢測基本上從測量區(qū)域鏡面反射的光分量，并且獲得代表該波長范圍內(nèi)每個波長的光度計強度的測量數(shù)據(jù)。測量的和理論的數(shù)據(jù)滿足預(yù)定條件。一檢測到滿足預(yù)定條件，則計算該結(jié)構(gòu)的想要的參數(shù)。
Zalicki在美國專利號6275297中提供了另一份類似方法的內(nèi)容，這里將其全文引入作為參考。Zalicki公開的方法具體針對STI溝槽深度測量。Zalicki介紹了測量包括多個凹陷部分和非凹陷部分的半導(dǎo)體襯底上的結(jié)構(gòu)的深度幾何形狀，其中所述凹陷部分和非凹陷部分中的一個包括參考界面，并且所述凹陷部分和非凹陷部分中的一個在其上具有介質(zhì)層。用于測量的裝置使用一個寬帶光源，用于照射該襯底，以及一個檢測器，用于檢測包括從非凹陷部分反射的光的第一光譜分量、包括從凹陷部分反射的光的第二光譜分量、和包括從所述介質(zhì)層反射的光的第三光譜分量。存儲所檢測光線的光譜反射系數(shù)信息，并且生成反射系數(shù)強度關(guān)于波長的曲線圖?；谠撉€圖的干涉儀分析、相對于該參考界面來確定凹陷部分中的一個和介質(zhì)層的深度幾何形狀，且能夠以低至100埃的分辨率來區(qū)分深度幾何形狀。Zalicki還陳述該方法可以現(xiàn)場執(zhí)行，并且用于確定深度幾何形狀的分析優(yōu)選包括將該曲線圖擬合到一個參考模型。
關(guān)于用于進行反射率測量的裝置，其中所述反射率測量形成了這些方法的基礎(chǔ)，根據(jù)測量是現(xiàn)場進行還是依序(in line)進行、將要采用光的哪一個波長以及許多其它因素，物理裝置可以采取許多形式。例如，由K.P.Kileen和W.G.Breiland(J.Electron Mater 23，179(1994)，and Optical Diagnostics for Thin Film Processing by I.P.Herman，Academic Press(1996)，p.358)以及由Perry等人在美國專利6160621中給出了適合的設(shè)置的說明，這里將他們中的每一個的全文引入作為參考。對于這些方法中的每一種的總的要求是對于相當寬的波長范圍，該裝置能夠準確地返回被測量表面的反射率。
在這些實施方式中的每一種當中，該方法需要構(gòu)造一個光學模型，該模型充分完整，以便于當參數(shù)使用適當?shù)闹档臅r候能夠與觀察的反射光譜大體一致。該模型采取等式的形式，其包括代表待確定的量的參數(shù)。
使用標準最小化技術(shù)來尋找使計算的模型和觀察的反射光譜之間產(chǎn)生最好的一致性的參數(shù)的值。上下文中一致性指的是定義測量的和理論的數(shù)據(jù)之間所謂的“吻合度”的“優(yōu)值(merit)函數(shù)”的最小化。上述現(xiàn)有技術(shù)參考文獻中沒有任何一篇清楚地教導(dǎo)怎樣去定義該優(yōu)值函數(shù)，或者怎樣進行最小化。然而，該優(yōu)值函數(shù)的標準形式是在測量存在的一些或所有的波長處所觀察的和計算的光譜之間差值的平方和。Solomon等人建議可以使用Levenberg-Marquardt方法來進行非線性回歸分析(Press，WH.，F(xiàn)lannery，B.P.，Teukolsky，S.A.，Vetterling，W.T.，Numerical Recipes，Cambridge University Press，1992)。然而，將這種技術(shù)應(yīng)用到這些光學方法產(chǎn)生的這類擺動的數(shù)據(jù)可能是有問題的，因為該優(yōu)值函數(shù)典型地具有許多對應(yīng)于參數(shù)的不正確的值的局部最小值。這些技術(shù)需要對被確定的參數(shù)中的每一個進行初試猜測，并且總是存在著危險，即該算法將收斂到附近的局部最小值，而不收斂到作為正確答案的全局最小值。
這些方法成功非常重要的是該優(yōu)值函數(shù)具有很好地限定的最小值，并且該最小值對于對應(yīng)于被確定的厚度和深度的正確值的參數(shù)的值而實際出現(xiàn)。如若不是這樣，則可能出現(xiàn)這樣的情況，即不正確值的一些組合將生成優(yōu)值函數(shù)的值，其幾乎和正確值一樣低或者甚至低于正確值。采用現(xiàn)有技術(shù)方法，這強加了這樣的要求，即該光學模型能夠準確地再現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的觀察的反射系數(shù)。為此，通常發(fā)現(xiàn)除了代表待測量的量的參數(shù)之外，還需要包括額外的代表該結(jié)構(gòu)的其它特性的參數(shù)。
這種參數(shù)的例子包括1)在使用的每個波長下、每個區(qū)域中每層的光學常數(shù)n和k；2)不同的分離區(qū)域的相對面積，Solomon等人(col.9，41行)、Scheiner等人(col.9，60行，介紹參數(shù)C1、C2和C3)、以及Zalicki(col.7，37行)；3)描述從溝槽側(cè)面的散射的參數(shù)，Zalicki(col.7，37行介紹參數(shù)C4)，4)描述光學系統(tǒng)中光的相干性的參數(shù)λ，Scheiner等人(col.7，35行，介紹參數(shù)λ)；5)探索式的“尺寸耦合因子”，Scheiner等人(col.8，16行，介紹參數(shù)c1和c2)；6)損耗因子，Scheiner等人(col.8，43行，介紹參數(shù)b2和B)；以及7)偏振因子，Scheiner等人(col.9，10行，介紹參數(shù)p1和P2)這些現(xiàn)有技術(shù)的方法潛在地適合于現(xiàn)場度量，因為不需要小的被照明點。然而，由于現(xiàn)有技術(shù)中前面沒有提到的幾個因素，上述現(xiàn)有技術(shù)方法通常在它們連續(xù)現(xiàn)場監(jiān)視的使用性上有局限。
一個缺點是現(xiàn)有技術(shù)方法需要在寬的波長范圍上對晶圓反射率的準確測量。反射率是入射的對從晶圓反射的光學功率的比率。在現(xiàn)場測量中，入射到晶圓上和從晶圓反射的光束都不是直接可以測量的。因此，必須從作為反射率和例如窗口的傳輸?shù)囊恍┢渌到y(tǒng)特性的卷積的測量推斷反射率。如果這些特性未知，或者如果使它們改變，則所述推斷需要添加進一步的參數(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)未能完全解決的另一個問題是最小化。為了進行測量應(yīng)該被解決的最小化問題需要在其維度高于被確定的未知數(shù)數(shù)目的參數(shù)空間上進行搜索。至少，對于被確定的量中的每一個必須存在一個擬合的參數(shù)。因為這些方法依賴于在觀察的和計算的反射率之間尋找準確的擬合，然而，通常必須使用額外的參數(shù)，諸如所提到的(例如，用于描述以下情況的參數(shù)從溝槽側(cè)面的散射；光學系統(tǒng)中光的相干性；探索式的“尺寸耦合因子”；損耗因子；以及偏振因子)。所需的每個額外的擬合參數(shù)提高了該問題的困難度。
最終，依賴于基本上準確擬合的要求的現(xiàn)有技術(shù)施加了這樣的限制，即該模型特定于其所適合的窄的結(jié)構(gòu)范圍。這使得其不便于在加工了許多不同種類的結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)環(huán)境中使用，因為對不同的結(jié)構(gòu)必須使用模型的不同形式。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例公開了一種用于現(xiàn)場監(jiān)視和膜厚及溝槽深度控制的方法。利用采用了精簡的參數(shù)集的簡化的光學模型以及主要敏感于反射率中最大值和最小值位置的新型優(yōu)值函數(shù)準確地實時計算出工藝晶圓上的溝槽深度。
在不需要觀察的光譜和計算的光譜之間充分良好的擬合的情況下，將從工藝晶圓觀察的光譜與計算的光譜進行匹配。這使得可以使用具有精簡參數(shù)集的更簡單的光學模型。這還使得可以使用例如在實際的現(xiàn)場監(jiān)視環(huán)境的實踐中可能實現(xiàn)的折衷的(compromised)反射率數(shù)據(jù)。該方法進一步涉及構(gòu)造用于在觀察的和計算的數(shù)據(jù)之間進行比較的優(yōu)值函數(shù)，該優(yōu)值函數(shù)對觀察的和計算的數(shù)據(jù)的由層厚決定的那些方面較為敏感，而對由不感興趣的結(jié)構(gòu)的其他方面決定的那些方面不敏感。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，來自生產(chǎn)晶圓的表面的光譜反射率數(shù)據(jù)的實時流被實時監(jiān)視，并且觀察的數(shù)據(jù)的垂直范圍被重新定標(rescale)到計算的數(shù)據(jù)的垂直范圍，這放寬了精確計算反射率的要求。接著，將數(shù)據(jù)減小到有助于快速計算，但是保存了原始光譜的信息內(nèi)容的最小的集合。簡化所述數(shù)據(jù)的一個示例性的方法包括將光譜細分成N個小區(qū)域，其端點具有均勻間隔開的倒數(shù)(reciprocal)，然后在每個區(qū)域內(nèi)對波長和反射率進行平均，以對每個區(qū)域i獲得單個(波長、反射率)(λ、Robs)對。所選擇的區(qū)域的數(shù)量足夠大，使得反射率光譜中感興趣的最小特征跨越四個或者更多區(qū)域。用于擬合的光譜數(shù)據(jù)則可以被認為是不顯式地涉及波長的長度N的一列Robs。
為工藝晶圓確定了值N之后，生成一個光學模型Rc(λ、p1、p2、...、pn)，并且在N個波長進行求值，每個劃分的區(qū)域選一個波長。結(jié)果是用于與觀察的數(shù)據(jù)Robs進行比較的長度N的一列Rc，其也是長度N的列表的形式。一旦確定了所述劃分，則列表Rc變成僅僅是所需的許多參數(shù)pi的函數(shù)，并且為了使其顯而易見，我們可以將其寫成Rc(p1、p2、...、pn)。
利用優(yōu)值函數(shù)Mt(p1、p2、...、pn)將觀察的數(shù)據(jù)Robs與模型Rc(p1、p2、...、pn)進行比較。然而，無論是計算的數(shù)據(jù)還是觀察的數(shù)據(jù)的垂直范圍根據(jù)其中含有的最大和最小值來進行定標。在通過優(yōu)值函數(shù)將兩者進行比較之前對觀察的數(shù)據(jù)和計算的模型數(shù)據(jù)兩者進行重新定標。而且，對觀察的數(shù)據(jù)和計算的模型兩者進行變換，使得它們的垂直范圍和光譜平均的值相一致。利用變換的數(shù)據(jù)和正確構(gòu)造的優(yōu)值函數(shù)，即使在觀察的數(shù)據(jù)和計算模型兩者中存在大的誤差，也可以在參數(shù)的正確值找到深的最小值。通過現(xiàn)有技術(shù)中公知的標準數(shù)值技術(shù)或者根據(jù)本發(fā)明的另一方面實現(xiàn)了優(yōu)值函數(shù)的最小化，或者代替地可以通過在離散網(wǎng)格上整個參數(shù)空間的窮舉搜索來實現(xiàn)。在搜索的參數(shù)數(shù)量小的情況下，例如僅僅要使用兩個厚度參數(shù)的情況下，第二種最小化選擇是可能的。
附圖簡述在所附的權(quán)利要求書中闡述了被認為是本發(fā)明特點的新穎特征。然而，通過以下結(jié)合附圖對示例性實施例的詳細介紹將更好地理解本發(fā)明本身以及其優(yōu)選實施方式、其進一步的目的和優(yōu)點。在附圖中

圖1是示例性的STI結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例用于實施確定膜厚和溝槽深度的過程的一般方法的流程圖；圖3是從晶圓蝕刻的現(xiàn)場監(jiān)視獲取的典型的歸一化(nominal)反射率光譜；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例構(gòu)造的、在參數(shù)a的兩個不同的值對正確值p1nm和p2nm求值的光學模型；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的歸一化反射率光譜的41個離散的反射率值，每個值代表反射率光譜的41個劃分的區(qū)域中的每一個；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的變換的反射率矢量T(Ri，t)的圖，該變換的矢量T(Ri，t)示出了重新定標的41個離散的反射率值，使得垂直范圍和光譜平均的值與變換的模型矢量T(Rci，t)相一致；圖7A和7B示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例用于膜厚和溝槽深度參數(shù)的現(xiàn)場監(jiān)視以及控制蝕刻工藝的過程的流程圖；
圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例關(guān)于膜厚和溝槽深度參數(shù)p1和p2的兩個參數(shù)搜索的結(jié)果的圖；圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例得到的并且以時間步長t描繪的頂層厚度p1和溝槽深度p2的值的圖；以及圖10示出根據(jù)本發(fā)明的實施例得到的并且以與圖9相同的時間間隔描繪的硅中的溝槽深度p4的曲線圖。
從附圖和以下詳細說明，本發(fā)明的其他特征將變得顯而易見。
發(fā)明詳述圖1是示例性的STI結(jié)構(gòu)的剖面圖。本STI結(jié)構(gòu)包括兩個分離區(qū)域類型區(qū)域113和區(qū)域114。第一類型，區(qū)域113，是在硅襯底104頂部的多層介質(zhì)疊層102。多層介質(zhì)疊層形成區(qū)域102的頂層106是光刻膠。頂層106下面是中間層108。除了頂層106的厚度未知以外，區(qū)域113中每一層的厚度都是已知的，即，中間層108的厚度是已知的。區(qū)域114，第二類型區(qū)域，處在由襯底104組成的示例性STI結(jié)構(gòu)中，因為在所示出的示例性STI結(jié)構(gòu)中，溝槽112最初通過區(qū)域108延伸到或者進入到區(qū)域104中。
作為溝槽挖掘工藝的結(jié)果形成了溝槽112，該工藝的類型對于介紹本發(fā)明的目的來說并不重要，其可以是任何已知的工藝，例如等離子蝕刻，或者可以是目前還未知的蝕刻類型。在所示出的例子中，溝槽112穿過區(qū)域102并且延伸到區(qū)域104中；然而，應(yīng)該理解所示的工藝僅僅是示例性的，并且該方法還可以應(yīng)用于區(qū)域114具有更加復(fù)雜結(jié)構(gòu)的情況。進一步參照所示出的例子，頂層106的厚度示為膜厚p1，且溝槽112的總深度標識為溝槽深度p2。中間層108的厚度由已知的厚度p3表示。溝槽112延伸進入到襯底104的部分由深度p4表示并且對于嘗試控制襯底104中溝槽深度112的工藝操作員來說特別感興趣。最好應(yīng)當將深度p4的幅度控制在幾納米(nm)以內(nèi)。因為溝槽112穿過了掩膜(光刻膠頂層106)、所有的后續(xù)層108和襯底104，因此除了獲知中間層厚p3之外，確定溝槽112延伸進入襯底104中的深度需要找到總的溝槽深度p2和膜厚p1兩者。
應(yīng)當意識到，通常挖掘工藝磨損掉暴露區(qū)域的表面；在所示的例子中，這些區(qū)域由區(qū)域102和104來代表。隨著挖掘工藝的推進，頂層厚度p1和溝槽深度p2兩者的幅度都隨著時間變化，即，溝槽深度p2的值增加，而膜厚p1由于該工藝分別磨損掉區(qū)域104和頂層106的表面而減小。找到深度p4的值變得更加困難，因為參數(shù)厚度p1和深度p2隨著挖掘工藝的推進而改變，但是不以相同的速率改變。頂層106的光刻膠旨在減慢蝕刻，而襯底(104)以快得多的速率被磨損掉?？偟臏喜凵疃萷2＝p1+p3+p4，并且p2≥(p1+p3)。當溝槽112切進區(qū)域104時，p4＞0，然后蝕刻掉區(qū)域104的襯底104，直到磨損掉區(qū)域104的理想的量，即，深度p4達到預(yù)定值，并且終止挖掘工藝。在這種情況下，當p4達到它的預(yù)定值時，頂層106仍然是完好的，并且頂層106厚度p1和溝槽112深度p2為待確定的量。從這些值可以容易地計算深度p4來用于控制蝕刻工藝。應(yīng)當理解所示出的工藝僅僅是示例性的，并且該方法還可以應(yīng)用于頂層的全部和中間層108的一部分或者全部都被除去的情況。
本發(fā)明的一個方面是其缺乏對在寬的波長范圍上的晶圓的高度準確的反射率測量的依賴，其通常僅僅通過連續(xù)的現(xiàn)場監(jiān)視來推斷。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，利用常規(guī)現(xiàn)場監(jiān)視技術(shù)在實際的加工條件下來搜集數(shù)據(jù)。用于數(shù)據(jù)搜集的一個示例性現(xiàn)場監(jiān)視裝置提供來自晶圓上的通常在晶圓中心附近的10mm直徑的斑點的光譜。穿過真空窗口的入射光束從樣品以垂直入射被反射，通過真空窗口返回，并且發(fā)送到到光譜儀。典型地，每個光譜以0.5nm的分辨率跨越波長λ為225nm到800nm的范圍。Perry等人在美國專利6160621中介紹了一種類似的搜集裝置，這里將其全文引入作為參考。然而，本發(fā)明的工藝既不依賴于Perry的裝置，也不嚴格地依賴于上述現(xiàn)場監(jiān)視。在閱讀了本說明書之后，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)容易理解在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下，從這里介紹的內(nèi)容可以采用廣泛的各種已知的或者目前為止未知的現(xiàn)場監(jiān)視技術(shù)和協(xié)同設(shè)備。通過下面對本發(fā)明的示例性實施例所作的介紹，從涉及實時數(shù)據(jù)的收集、現(xiàn)場監(jiān)視和膜厚控制，以及溝槽深度確定的本發(fā)明得到其他優(yōu)點將變得更加顯而易見。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例用于實施確定膜厚和溝槽深度的過程的一般方法的流程圖。在討論該方法之前，應(yīng)當理解這里所介紹的示例性方法假定存在例如通過上述現(xiàn)場監(jiān)視裝置得到的來自被監(jiān)視表面的光譜反射率數(shù)據(jù)的實時流。另外，在處理之前，將實時光譜反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成歸一化反射率R(λ，t)，然后取其作為觀察的數(shù)據(jù)。從當前光譜與參考光譜的比率來確定該歸一化反射率。使用與用于加工生產(chǎn)晶圓同樣的加工和監(jiān)視設(shè)備來從裸硅晶圓收集參考光譜，并且預(yù)先存儲起來。可以使用裸硅，因為在半導(dǎo)體加工制造設(shè)備中這些晶圓容易獲得，并且它們的反射特性被很好地特性化。本質(zhì)上，參考光譜提供涉及來自照明光源的光波長特性的光譜強度信息。在晶圓加工期間，在每個時間步長通過監(jiān)視裝置收集實時光譜，并且通過例如監(jiān)視儀器計算當前光譜與參考光譜的比率。歸一化反射率近似等于加工中的晶圓相對于裸硅的反射率的相對反射率。在圖3中示出代表性的光譜302，其是從晶圓蝕刻的現(xiàn)場監(jiān)視獲取的。
返回到圖2所示的用于實施確定膜厚和溝槽深度的過程的一般方法的討論，該方法開始于構(gòu)造一個一般的光學模型Rc(λ、p1、p2、...、pn)作為波長λ和所需的許多參數(shù)(p1、p2、...、pn)的函數(shù)(步驟202)。構(gòu)造用于工藝晶圓的光學模型所做的僅有的假設(shè)是反射與來自每個區(qū)域(r1、r2、...、rn)的反射的總和成比例。根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，僅需要精簡的參數(shù)集(p1、p2、...、pn)就可以使用一個非常簡單的光學模型來與觀察的數(shù)據(jù)進行比較。
用于其表面由幾個分離的區(qū)域構(gòu)成的晶圓的簡單光學模型的例子為Rc(λ,p1,p2)=|ar1(p1a,p2a,...)+bExp(-4πip1bλ)r2(p2b,p3b,...)+cExp(-4πip1bλ)r3(p2c,p3c,...)+...|2...(1)]]>在等式1的公式中，每個區(qū)域1、2、3...都由等式中一項代表。在每一項中，字母a、b、c...代表由該區(qū)域占據(jù)的表面的部分。項r1等為各個區(qū)域的反射系數(shù)，每一個區(qū)域都包括單個疊層，并且可以使用用于計算多層疊層的反射系數(shù)的標準形式來計算這些反射系數(shù)。在例如Ellipsometry and Polarized Light(Azzam and Bashara，pp.332-340，Elsevier，1987)中可以找到關(guān)于這些計算的細節(jié)，這里將其全文引入。這些項中的參數(shù)p為各個組成層的折射率和厚度。對于除第一項之外的所有項，引入第一層的頂部和被討論的層的頂部之間的垂直距離作為參數(shù)(例如，第二項中的p1b)來說明來自各個區(qū)域的反射之間的相移。
使用簡單的光學模型來準確地確定膜厚和溝槽深度是可行的，這是因為，與現(xiàn)有技術(shù)的光學模型不同，本方法消除了計算精確地匹配觀察的光譜的必要性。因此，除了利用高度簡化的光學模型之外，使用例如可以從實時現(xiàn)場監(jiān)視環(huán)境預(yù)期的折衷的反射率數(shù)據(jù)，獲得了較好的膜厚和溝槽深度厚度結(jié)果。
于是，表面的反射率為Rc(λ,p1,p2)=|ar1(p1)+bExp(-4πip2λ)r2|2...(2)]]>
在上面公開的并且如下文使用的示例性的一般模型中，參數(shù)p涉及以任何可計算的方式影響晶圓的區(qū)域的反射特性的任何特性、特征或者屬性。如用于介紹本發(fā)明的示例性實施例，p1和p2為晶圓上相應(yīng)區(qū)域的STI結(jié)構(gòu)的空間參數(shù)(深度和厚度)。相應(yīng)地，p1涉及一個區(qū)域中結(jié)構(gòu)特有的空間參數(shù)，而p2涉及第二區(qū)域中分離結(jié)構(gòu)特有的空間參數(shù)。a和b為描述從每個區(qū)域預(yù)期的相對貢獻的加權(quán)系數(shù)，并且是相應(yīng)區(qū)域?qū)τ谏a(chǎn)晶圓的相對部分的估計，使得(a+b＝1)。
應(yīng)當理解盡管本示例性實施例關(guān)于包括兩個分離的區(qū)域，并且對每個區(qū)域具有相應(yīng)的深度或厚度參數(shù)的示例性晶圓來介紹了本發(fā)明，但是在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，所述參數(shù)可以改為表示影響區(qū)域的反射特性的任何其他特性、特征或者屬性，例如區(qū)域的折射率。而且，通過相應(yīng)地增加參數(shù)的數(shù)量，并且如果需要的話，提供相當數(shù)量的額外的加權(quán)系數(shù)，可以將該光學模型擴展為用于計算具有超過兩個分離區(qū)域的晶圓的反射率。
更加具體地關(guān)于上面公開的示例性一般模型，現(xiàn)在將參照如上面圖1所示具有兩個分離的區(qū)域的示例性STI結(jié)構(gòu)來介紹本發(fā)明。為了介紹本發(fā)明，第一區(qū)域(113)是多層介質(zhì)疊層102，而第二區(qū)域(114)是晶圓的襯底104，在這種情況下，是硅。這里r1和r2分別是兩個區(qū)域113和114的反射系數(shù)。P1是頂層106的厚度，而p2是區(qū)域113和114的頂層之間的間隔。a和b是加權(quán)系數(shù)。區(qū)域114的反射系數(shù)r2僅僅是襯底104或者硅的反射率，其可以利用硅的折射率的實部和虛部n和k從Fresnel等式計算出來r=n-ik-1n-ik+1···(3)]]>區(qū)域113的反射系數(shù)可以利用用于計算多層疊層的反射系數(shù)的標準形式計算出來。例如在Ellipsometry and Polarized Light(Azzamand Bashara，pp.332-340，Elsevier，1987)中可以找到關(guān)于這些計算的細節(jié)，這里將其全文引入。加權(quán)系數(shù)a和b(b＝1-a)為生產(chǎn)晶圓上相應(yīng)區(qū)域的相對部分的估計。例如，a和b之一為第一區(qū)域113或者介質(zhì)疊層102，而a和b中的另一個為第二區(qū)域114或者晶圓的襯底104。在對應(yīng)于數(shù)據(jù)的一系列波長求值的等式2包括該光學模型。
來自等式2的光學模型包含三個未知的參數(shù)a、p1和p2，假設(shè)組成材料中每一個的光學常數(shù)是已知的。這種形式的光學模型不準確地預(yù)測該結(jié)構(gòu)的觀察的歸一化反射率。從對正確值p1和p2求值的模型疊加在觀察的光譜上的曲線圖可以更加容易地理解模型和觀察的數(shù)據(jù)之間的差異。圖4示出由等式2描述的、對正確值p1＝167nm和p2＝690nm以及參數(shù)a的兩個不同的值進行求值的光學模型。曲線404示出對如通過擬合確定的最佳值a＝0.779進行求值的模型。另外，曲線406示出對最佳值a＝0.25進行求值的模型。在任何一種情況下，觀察的數(shù)據(jù)402和計算的模型(404和406)之間的大的殘差表明對參數(shù)p1、p2的3參數(shù)擬合收斂到正確值是不可能的。因此，當前介紹的光學模型太簡單，以至于不能與現(xiàn)有技術(shù)的匹配方法一起使用來獲得準確的厚度結(jié)果。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，觀察的光譜與計算的光譜的比較利用了一種方法，其不要求觀察的光譜和計算的光譜之間充分良好的擬合。因此，下面介紹的比較技術(shù)僅僅使用上述簡化的光學模型以及來自工藝晶圓的實時現(xiàn)場監(jiān)視的觀察的數(shù)據(jù)。將觀察的數(shù)據(jù)匹配到光學模型的第一步是將數(shù)據(jù)減小到有助于更快速的計算同時保存原始歸一化反射率光譜的信息內(nèi)容的最小集合(步驟204)。典型地由監(jiān)視儀器作為在規(guī)則間隔的波長柵格上的一系列測量來報告觀察的歸一化反射率光譜。關(guān)于上述示例性的監(jiān)視裝置，每個光譜由225nm和800nm之間的波長λ組成，其中以(或者平均跨過)0.5nm的分辨率來進行測量，生成在每個采樣時間t獲得的歸一化反射率光譜數(shù)據(jù)的1151個離散的數(shù)據(jù)點。不需要為了估計觀察的和計算的光譜之間的一致程度而在每個點比較觀察的和建模的光譜。在足夠小的波長間隔上，反射率變化得足夠慢，使得在單個點的比較就足夠了。在額外的點進行的比較增加了需要的計算時間，而沒有在膜厚和溝槽深度結(jié)果中提供任何附加的準確性。因此，使用本發(fā)明的一個示例性實施例的成分是從觀察的歸一化反射率光譜計算用于比較的最小一組值而不損害結(jié)果的一種方式。這將優(yōu)先伴隨將光譜劃分成其上可以認為該光譜緩慢變化的波長間隔，并且對每個這種波長間隔做單個比較。
在圖4中可以看出，在該光譜的短波長端，其上可以認為觀察的歸一化反射率光譜402緩慢變化的波長間隔的大小較小。這是因為物理相關(guān)參數(shù)是晶圓上的某一特性特征尺寸與波長的比率。相應(yīng)地，我們介紹一種將觀察的光譜簡化到更加接近優(yōu)化必須選擇的點數(shù)的最佳的簡化集合的示例性方法。首先我們挑選代表在處理過程中將要遇到的數(shù)據(jù)的光譜。如果光譜在例如處理的整個過程中或者在樣本之間改變它們的復(fù)雜性，則應(yīng)該選擇具有最大的復(fù)雜性的光譜。然后我們挑選劃分的數(shù)量N來嘗試，其中N比原始數(shù)量小得多，但是仍然期望足夠大以抓住每個光譜的實質(zhì)形狀。然后我們計算劃分邊界。這些是一組N+1個波長i＝1、...、N+1，其包括原始列表的端點(225nm和800nm)和N-1個選擇的中間波長，使得這N+1λi的倒數(shù)(reciprocals)在波長分辨率允許的精度內(nèi)近似均勻地間隔開?？梢岳蒙山凭鶆蚍植嫉牡箶?shù)的任何方法來選擇用于劃分的端點。然后將每個劃分區(qū)域內(nèi)的波長和反射率數(shù)據(jù)平均，以得到代表各自區(qū)域的單個對(波長、反射率)。然后將簡化的數(shù)據(jù)集的圖繪制在與完整的光譜相同的軸上(圖4)。如果簡化的光譜的點之間的插值生成了具有與完整光譜基本上相同形狀的光譜，如本例中的情況那樣，則N足夠大。不需要或者甚至希望找到N最小的可能值，因為如果N太小，則存在該方法將失敗的風險，并且在不靠近該限度的情況下通常就可以獲得計算工作量的相當大的減輕。
在為N確定了一個值之后，將原始的數(shù)據(jù)集簡化成具有N個元的最小尺寸的數(shù)據(jù)集。
從圖5可以看出劃分數(shù)據(jù)集的效果。在圖5中，對應(yīng)于圖3中的歸一化反射率光譜302的矢量502示出為41個離散的反射率值，每一個值代表整個反射率光譜中N個劃分的區(qū)域中的每一個區(qū)域。如剛剛在上面所述的，通過在整個區(qū)域上對歸一化反射率進行平均來為每個劃分計算單個數(shù)據(jù)點。在數(shù)據(jù)簡化變換之后，在每個時間步長t，數(shù)據(jù)為矢量Ri，t的形式，其中i是對應(yīng)于波長的指數(shù)，且從1一直到劃分的數(shù)目，N(在圖5中示出了41個劃分)。因此，在不明顯地涉及波長的情況下，可以將用于擬合的光譜數(shù)據(jù)認為是長度為N的一列R。
接著，關(guān)于垂直軸對數(shù)據(jù)進行變換，使得數(shù)據(jù)的平均值為零，并且數(shù)據(jù)的垂直范圍(extent)為1(步驟206)。數(shù)據(jù)的垂直范圍(range)提供了可以施加在模型結(jié)果上而不用試圖去計算它的便利的比例尺。通過以觀察的數(shù)據(jù)和計算的模型它們的垂直范圍和光譜平均的值一致這樣的方式來變換觀察的數(shù)據(jù)和計算的模型兩者，則可以忍受數(shù)據(jù)和模型兩者之間的大的誤差，并且在適當構(gòu)造的優(yōu)值函數(shù)中、在參數(shù)的正確的值仍然發(fā)現(xiàn)深的最小值。于是變換的數(shù)據(jù)為R~i,t≡T(Ri,t)=R1,t-1NΣj=1NRj,tMin(Rj,t)-Max(Ri,t)...(4)]]>對數(shù)據(jù)的重新定標和平均涉及到首先在每個時間步長t找到對于特定光譜的數(shù)據(jù)的垂直范圍。從N個樣本中，從N個反射率樣本找到Ri的最小和最大值，i從1到N。這些是Min(Ri)和Max(Ri)。數(shù)據(jù)的垂直范圍，Max(Ri)-Min(Ri)，建立了用于對觀察的數(shù)據(jù)和計算的模型重新定標的垂直范圍，其放寬了準確計算反射率的要求。每個光譜，無論是計算的光譜還是觀察的光譜，都根據(jù)其內(nèi)含有的最大和最小的Ri值來定標。如果在每個光譜中出現(xiàn)干涉最小和最大值，則該方法是非常成功的，如果數(shù)據(jù)包括寬的波長范圍，并且尤其是紫外線波長，通常在200nm和400nm之間的話，則這種情況更加可能。
圖6是示出矢量602，T(Ri，t)的圖，其對應(yīng)于圖3中的歸一化反射率光譜302，其示出了最終變換之后將要出現(xiàn)的41個離散的反射率值。矢量602具有接近1的垂直范圍，并且整個光譜的平均值為0。
利用正確變換的數(shù)據(jù)，使用優(yōu)值函數(shù)的圖形或者優(yōu)值函數(shù)Mt(p1，p2、...、pn)來用于觀察的數(shù)據(jù)Robs和模型Rc之間的比較(步驟210)。由于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員容易理解，優(yōu)值函數(shù)測量觀察的數(shù)據(jù)和具有特定選擇的參數(shù)的模型之間的一致性。設(shè)計并設(shè)置優(yōu)值函數(shù)，使得觀察的數(shù)據(jù)和模型之間的緊密一致將由一個小的值來代表。通過調(diào)節(jié)模型的參數(shù)來確定優(yōu)值函數(shù)中的最小值，由此產(chǎn)生最佳擬合的參數(shù)，并且可以采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何標準數(shù)值技術(shù)的形式，例如Levenburg-Marquardt法。下面介紹根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施例的一般的優(yōu)值函數(shù)。
M1(p1,p2,...pn)=Σj=1N(T[Rjc(p1,p2)]-T[Rj])2...(5)]]>且T(Ri)=Ri-1NΣj=1NRjMax(Ri)-Min(Ri)...(6)]]>
最后，可以進行優(yōu)值函數(shù)的最小化。根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，可以預(yù)先計算出該模型，以便生成一個查找表，其在運行時間被窮舉搜索。使用本過程這是可能的，因為參數(shù)空間僅僅是二維的，即，p1和p2。該表由在預(yù)期的值的整個范圍內(nèi)以1nm間隔的每一個可能的溝槽深度和層厚對的矢量T[Rcj，t(p1，p2)]的集合構(gòu)成。通過窮舉整個二維參數(shù)空間而不是通過數(shù)值最小化技術(shù)來找到觀察的數(shù)據(jù)和模型之間的一致性。這個選擇比現(xiàn)有技術(shù)的標準數(shù)值最小化技術(shù)更好，因為結(jié)果不依賴于初始猜值。
圖7A和7B示出根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例用于現(xiàn)場監(jiān)視和控制膜厚和溝槽深度的過程的流程圖。在晶圓加工期間使用上述普通的實施方法實時地獲得了所示出的過程產(chǎn)生的結(jié)果，并且下面將結(jié)合圖1所示的STI結(jié)構(gòu)進行介紹。該流程圖被劃分成兩個部分，圖7A示出的部分敘述了應(yīng)該在加工該晶圓之前完成的步驟，而圖7B示出了本發(fā)明的實時加工步驟。
如前面提到的，在實際加工晶圓之前，應(yīng)該為將要進行的特定晶圓工藝集合數(shù)據(jù)的幾個位。應(yīng)當使用在加工隨后類似的生產(chǎn)晶圓中采用的蝕刻腔和監(jiān)視裝置來得到這些步驟的數(shù)據(jù)。圖7A中代表這些數(shù)據(jù)獲取步驟的塊作為虛線示出，以表示其中獲得的數(shù)據(jù)對于使用該腔和測量裝置對類似生產(chǎn)晶圓的任何隨后的加工保持有效。然而，應(yīng)當理解，如果通過本發(fā)明得到的厚度結(jié)果的準確性是有問題的，即，涉及蝕刻工藝或者生產(chǎn)晶圓的某些情況可能已經(jīng)改變，則在加工其它生產(chǎn)晶圓之前應(yīng)當重新獲取這些數(shù)據(jù)。
初始地，使用將在晶圓的生產(chǎn)處理中采用的蝕刻腔和現(xiàn)場監(jiān)視裝置從硅晶圓獲得參考光譜(步驟702)。然后將參考光譜存儲在監(jiān)視裝置中，用于將在生產(chǎn)處理期間得到的實時光譜反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成歸一化反射率R(λ，t)。另外，在開始蝕刻工藝之前，應(yīng)當確定N的值，用于將數(shù)據(jù)簡化到保存原始歸一化反射率光譜的信息內(nèi)容的最小的一組數(shù)據(jù)(步驟704)。通常，確定N，使得簡化的光譜的形狀不會與原始光譜的形狀有很大的不同?？梢酝ㄟ^分析由加工生產(chǎn)晶圓得到的光譜數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)驗來確定N，或者可以改為通過利用為該生產(chǎn)晶圓構(gòu)造的光學模型分析計算的數(shù)據(jù)來確定N。
這里應(yīng)當理解，作為實際問題，根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，可以在兩個可選流程之一中進行厚度確定和控制過程。第一選擇涉及預(yù)先構(gòu)造光學模型，然后創(chuàng)建一個由代表蝕刻工藝預(yù)期的每一個可能的溝槽深度和層厚對的矢量T[Rcj，t(p1，p2)]組成的查找表。然后為了與觀察的數(shù)據(jù)的一致，可以對這張表進行窮舉搜索。第二選擇是預(yù)先構(gòu)造光學模型，但是通過調(diào)節(jié)參數(shù)值在運行中(on the fly)評估它，以生成對于在任何時間步長t取得的觀察數(shù)據(jù)來說最佳擬合的參數(shù)。這里，使用任何標準的數(shù)值技術(shù)將光學模型與觀察到的數(shù)據(jù)進行比較。第一種方法稍微節(jié)省時間，但是任何一種方法在運行時間環(huán)境中都實現(xiàn)了較好的厚度結(jié)果。在下面整個的討論中將強調(diào)兩種方法的差異。
在任意一種方法中，使用將要加工的特定類型的STI結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)為將要評估的晶圓結(jié)構(gòu)得到光學模型Rc(p1，p2)，例如上面的等式2(步驟706)。在第一種方法中，將代表預(yù)期范圍內(nèi)的每一個可能的溝槽深度和層厚的一組矢量T[Rcj，t(P1，p2)]編輯成一個查找表。如此，對于每一個溝槽深度和層厚對，模型數(shù)據(jù)被簡化成平均的反射率數(shù)據(jù)的N個值(步驟708)，然后對于這N個反射率樣本為每個參數(shù)對找到Min(Ri)和Max(Ri)(Ri的最小和最大值)。然后通過線性變換將與每一個深度和層厚對相關(guān)聯(lián)的模型數(shù)據(jù)進行逐點變換，以生成其平均為零且其范圍(定義成最大值減去最小值)為1的矢量(步驟710)。上面介紹的等式4是為了這個目的可以使用的一個示例性的算法。在查找表中合并所得到的矢量T[Rcj，t(P1，p2)]，其以它們的p1和p2值來標記(步驟712)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖7B，在目標工藝晶圓上開始蝕刻工藝，并且在時間步長t從晶圓的表面現(xiàn)場監(jiān)視反射率數(shù)據(jù)(步驟714)。使用參考光譜從設(shè)備收集的光譜自動計算歸一化反射率R(λ，t)。接著，由該設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集簡化成N個數(shù)據(jù)點(步驟716)。這個步驟可以由監(jiān)視裝置在內(nèi)部完成，但是也可以改成是外部數(shù)據(jù)處理器的功能。接著，找到N組Ri，t的Max(Ri，t)和Min(Ri，t)值(步驟718)，并且用于變換觀察的數(shù)據(jù)T(Rj，t)，使得其垂直范圍和光譜平均的值與如上面的等式4的計算出的模型(T(Rcj，t(P1，p2))一致(步驟720)。回想起在進入該表之前已經(jīng)類似地變換了用于該查找表的矢量數(shù)據(jù)。
另一方面，如果不使用查找表，則必須在N個波長中的每一個波長對光學模型Rc(λ、p1、p2、...、pn)進行求值，以生成列表Rc(p1，p2)。如上面關(guān)于步驟708和710所述的對該列表進行變換。一旦進行了變換，將模型數(shù)據(jù)與第t時間步長的觀察數(shù)據(jù)進行比較。這利用在上面等式5中所介紹的一般優(yōu)值函數(shù)對于兩個參數(shù)p1和p2的具體形式來完成，即優(yōu)值函數(shù)為Mt(p1，p2)的形式。通過關(guān)于參數(shù)p1和p2對優(yōu)值函數(shù)Mt(p1，p2)進行最小化來為蝕刻工藝的第t時間步長的晶圓狀態(tài)確定頂層厚度p1和溝槽深度p2兩者的大小(步驟722)?？梢岳脴藴蕯?shù)值技術(shù)來進行最小化，例如Levenburg-Marquardt法。
相反地，如果已經(jīng)預(yù)先創(chuàng)建了一個查找表，則在運行時間為參數(shù)p1和p2對該二維參數(shù)空間進行窮舉搜索。如上面關(guān)于步驟712所述的，查找表由代表在預(yù)期值的整個范圍內(nèi)的每一個可能的溝槽深度和層厚對的一組矢量T[Rcj，t(p1，p2)]構(gòu)成。以某個非任意的間隔，例如1nm增加范圍參數(shù)值，其提供了控制蝕刻工藝所需的分辨率。
圖8是示出為上面的圖6示出的光譜602關(guān)于p1和p2進行的2參數(shù)搜索結(jié)果的圖。在那里，代表T(Ri，t)802的41個離散的值被矢量T[Rcj，t(p1，p2)]804覆蓋(overlay)。
在獲得了頂層厚度p1和溝槽深度p2的正確的值之后，可以通過p4＝p2-(p1+p3)得到溝槽112延伸到襯底110中的深度部分(深度p4)，其中p3是已知的中間層108的厚度(步驟724)。將深度p4與停止深度Pstop進行比較，其代表襯底110中挖掘的目標深度。如果深度p4＜pstop，該過程返回到步驟714，用于在下個時間步長t得到新的歸一化反射率R(λ，t)。于是該過程重復(fù)地從步驟716到726，直到深度p4≥Pstop，并且終止挖掘工藝(步驟728)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖9，相對于時間繪出了頂層厚度p1802和溝槽深度p2804。注意到，由于蝕刻工藝隨著時間步長t的進行，如應(yīng)該預(yù)期的，溝槽深度p2804增加，而頂層厚度p1802減小。在每個時間步長t計算的參數(shù)對獨立于先前的值，因此在這些曲線圖中看到的平滑的變化表明搜索確實返回了正確值，因為每個值在時間步長之間平滑地轉(zhuǎn)變。圖10示出硅中的溝槽深度p41002在相同時間間隔上的曲線圖?；叵肫鹕疃萷4是從厚度p1802和深度p2804以及中間層108的已知厚度得到的，很明顯硅深度p4的值也是正確的，因為它們在時間步長之間也是從一個值平滑地轉(zhuǎn)變到另一個值。
下面的權(quán)利要求書中的所有裝置或步驟加功能單元的相應(yīng)結(jié)構(gòu)、材料、運作(act)及等價物旨在包括用于與其它主張權(quán)利的單元結(jié)合來執(zhí)行功能的任何結(jié)構(gòu)、材料、或者運作，如具體申明的。為了描述和說明的目的已經(jīng)陳述了本發(fā)明的說明書，但是不想無遺漏地介紹本發(fā)明或者局限于公開形式的發(fā)明。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，許多修改和變化對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將是顯而易見的。選擇并且介紹了實施例，以便最好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，并且是為了當適宜于想要的特定用途時，使本領(lǐng)域的其他普通技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的具有各種修改的各種實施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員做出了前面的實施例，并且可以做出各種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于確定與晶圓相關(guān)聯(lián)的至少一個參數(shù)的值的方法，包括從晶圓表面接收觀察到的反射率數(shù)據(jù)；為該晶圓得到計算的反射率數(shù)據(jù)，所述計算的反射率數(shù)據(jù)為至少一個參數(shù)的函數(shù)；對所述觀察到的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)之一進行變換；對所述觀察到的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的另一個進行變換，以便與所述觀察到的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的經(jīng)過變換的那一個相一致；關(guān)于所述至少一個參數(shù)在所述觀察到的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的一個以及所述觀察到的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的另一個之間找到一致性；以及根據(jù)所述一致性來確定所述至少一個參數(shù)的值。
2.如上面的權(quán)利要求1所述的方法，其中所述觀察的反射率數(shù)據(jù)是晶圓表面的光譜反射率和參考反射率光譜的比率。
3.如上面的權(quán)利要求1所述的方法，其中所述觀察的反射率數(shù)據(jù)與晶圓表面的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。
4.如上面的權(quán)利要求3所述的方法，其中對所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)之一進行變換還包括找到所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的一個的垂直范圍；以及根據(jù)所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述一個的垂直范圍對所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述一個進行定標。
5.如上面的權(quán)利要求4所述的方法，還包括對所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標的一個進行平均。
6.如上面的權(quán)利要求5所述的方法，其中對所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述另一個進行變換還包括找到所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述另一個的垂直范圍；以及根據(jù)所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述另一個的垂直范圍對所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述另一個進行定標。
7.如上面的權(quán)利要求6所述的方法，還包括對所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標的另一個進行平均。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標的一個與所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標的另一個相一致。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標的一個的垂直范圍的值為1，并且所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標的另一個的垂直范圍的值也為1。
10.如上面的權(quán)利要求7所述的方法，其中所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標、平均的一個與所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標、平均的另一個相一致。
11.如上面的權(quán)利要求10所述的方法，其中所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標、平均的一個的平均值具有近似為零的值，并且所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標、平均的另一個的平均值也具有近似為零的值。
12.如上面的權(quán)利要求7所述的方法，其中關(guān)于所述至少一個參數(shù)在所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的一個以及所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的另一個之間找到一致性還包括為所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的一個以及所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的另一個構(gòu)造一個優(yōu)值函數(shù)；以及關(guān)于所述至少一個參數(shù)對該優(yōu)值函數(shù)進行最小化。
13.如上面的權(quán)利要求12所述的方法，其中關(guān)于所述至少一個參數(shù)在所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的一個以及所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的另一個之間找到一致性還包括生成所述經(jīng)過變換的計算的反射率數(shù)據(jù)的多個實例，經(jīng)過變換的計算的反射率數(shù)據(jù)的所述多個實例中每一個都是在所述至少一個參數(shù)的唯一參數(shù)值處進行求值的；根據(jù)所述經(jīng)過變換的觀察的反射率數(shù)據(jù)來識別所述經(jīng)過變換的計算的反射率數(shù)據(jù)的多個實例中的一個；以及識別與所述經(jīng)過變換的計算的反射率數(shù)據(jù)的識別實例相關(guān)聯(lián)的所述至少一個參數(shù)的值。
14.如上面的權(quán)利要求13所述的方法，其中根據(jù)所述經(jīng)過變換的觀察的反射率數(shù)據(jù)來識別所述經(jīng)過變換的計算的反射率數(shù)據(jù)的多個實例中的一個還包括將所述經(jīng)過變換的觀察的反射率與所述經(jīng)過變換的計算的反射率數(shù)據(jù)的多個實例中的至少一些進行比較；以及根據(jù)所述比較來求解與識別的實例相關(guān)聯(lián)的所述至少一個參數(shù)的值。
15.如上面的權(quán)利要求3所述的方法，其中該晶圓的所述計算的反射率數(shù)據(jù)包括作為正好一個參數(shù)的函數(shù)的簡化的光學模型，所述正好一個參數(shù)代表以任何可計算的方式影響所述晶圓的反射特性的所述晶圓的一部分的屬性。
16.如上面的權(quán)利要求15所述的方法，其中所述晶圓的部分的所述屬性是折射率、膜厚、溝槽深度、襯底中的溝槽深度和多層介質(zhì)疊層的厚度中的一個。
17.如上面的權(quán)利要求3所述的方法，其中該晶圓的所述計算的反射率數(shù)據(jù)包括作為至少兩個參數(shù)的函數(shù)的簡化的光學模型，所述至少兩個參數(shù)代表以任何可計算的方式影響所述晶圓的反射特性的所述晶圓的一個或多個部分的至少兩個屬性。
18.如上面的權(quán)利要求17所述的方法，其中所述晶圓的一個或多個部分的所述至少兩個屬性是折射率、膜厚、溝槽深度、襯底中的溝槽深度和多層介質(zhì)疊層的厚度的任意組合。
19.如上面的權(quán)利要求17所述的方法，其中所述簡化的光學模型是與來自由所述至少兩個參數(shù)代表的每個區(qū)域的反射率的和成比例的反射率的函數(shù)。
20.如上面的權(quán)利要求3所述的方法，從晶圓的表面接收觀察的反射率數(shù)據(jù)進一步包括從晶圓的表面現(xiàn)場地獲取觀察的反射率數(shù)據(jù)。
21.如上面的權(quán)利要求3所述的方法，其中所述至少一個參數(shù)與該晶圓相應(yīng)的至少一個結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，該方法進一步包括根據(jù)所述至少一個參數(shù)的值來控制該晶圓的結(jié)構(gòu)上的工藝。
22.如上面的權(quán)利要求21所述的方法，進一步包括在該晶圓的該結(jié)構(gòu)的結(jié)束工藝狀態(tài)將所述至少一個參數(shù)的值與該參數(shù)的停止值進行比較。
23.如上面的權(quán)利要求3所述的方法，進一步包括從該晶圓的表面接收第二觀察的反射率數(shù)據(jù)；獲得該晶圓的計算的反射率數(shù)據(jù)，所述計算的反射率數(shù)據(jù)為至少一個參數(shù)的函數(shù)；對所述第二觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)之一進行變換；對所述第二觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的另一個進行變換，以便與所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的一個相一致；關(guān)于所述至少一個參數(shù)在所述第二觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的一個以及所述第二觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的另一個之間找到一致性；以及根據(jù)所述一致性來確定所述至少一個參數(shù)的值。
24.如上面的權(quán)利要求23所述的方法，其中關(guān)于所述至少一個參數(shù)在所述第二觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的一個以及所述第二觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的另一個之間找到一致性進一步包括為該晶圓的至少一個參數(shù)確定一組可能的值；針對至少一個參數(shù)的這組可能的值來求解晶圓的計算的反射率數(shù)據(jù)；以及為至少一個參數(shù)的這組可能的值分別保存計算的反射率數(shù)據(jù)的解集和參數(shù)值。
25.如上面的權(quán)利要求24所述的方法，其中根據(jù)所述一致性來確定所述至少一個參數(shù)的值進一步包括根據(jù)所述第二觀察的反射率數(shù)據(jù)來識別計算的反射率數(shù)據(jù)的解集中的一個；以及識別與計算的反射率數(shù)據(jù)的解集中的被選擇的那一個相關(guān)聯(lián)的參數(shù)值。
26.如上面的權(quán)利要求19所述的方法，其中對所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)之一進行變換進一步包括找到所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述一個的垂直范圍；以及根據(jù)所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述一個的垂直范圍對所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述一個進行定標。
27.如上面的權(quán)利要求26所述的方法，進一步包括對所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標的一個進行平均。
28.如上面的權(quán)利要求27所述的方法，其中對所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的另一個進行變換還包括找到所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的另一個的垂直范圍；以及根據(jù)所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述另一個的垂直范圍對所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述另一個進行定標。
29.如上面的權(quán)利要求28所述的方法，進一步包括對所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標的另一個進行平均。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標的一個與所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標的另一個相一致。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標的一個的垂直范圍的值為1，并且所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的另一個的垂直范圍的值也為1。
32.如上面的權(quán)利要求29所述的方法，其中所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標、平均的一個與所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標、平均的另一個相一致。
33.如上面的權(quán)利要求32所述的方法，其中所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標、平均的一個的平均值具有近似為零的值，并且所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過定標、平均的另一個的平均值也具有近似為零的值。
34.如上面的權(quán)利要求29所述的方法，其中關(guān)于所述至少一個參數(shù)在所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的一個以及所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的另一個之間找到一致性還包括為所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的一個以及所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的另一個構(gòu)造一個優(yōu)值函數(shù)；以及關(guān)于所述至少兩個參數(shù)對該優(yōu)值函數(shù)進行最小化。
35.如上面的權(quán)利要求34所述的方法，其中關(guān)于所述至少一個參數(shù)在所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的一個以及所述觀察的反射率數(shù)據(jù)和所述計算的反射率數(shù)據(jù)中的所述經(jīng)過變換的另一個之間找到一致性還包括生成經(jīng)過變換的計算的反射率數(shù)據(jù)的多個實例，所述經(jīng)過變換的計算的反射率數(shù)據(jù)的所述多個實例中每一個都是在所述至少兩個參數(shù)中的每一個的唯一參數(shù)值處進行求值的；根據(jù)所述經(jīng)過變換的觀察的反射率數(shù)據(jù)來識別所述經(jīng)過變換的計算的反射率數(shù)據(jù)的多個實例中的一個；以及識別與所述經(jīng)過變換的計算的反射率數(shù)據(jù)的識別實例相關(guān)聯(lián)的所述至少兩個參數(shù)中的每一個的值。
36.如上面的權(quán)利要求19所述的方法，其中所述觀察的反射率數(shù)據(jù)是該晶圓表面的光譜反射率與參考反射率光譜的比率。
全文摘要
本發(fā)明針對用于計算表面或結(jié)構(gòu)，例如半導(dǎo)體晶圓上的度量衡數(shù)據(jù)(層厚以及凹陷和溝槽的深度)的系統(tǒng)、方法和軟件程序產(chǎn)品。本方法不需要表面或者結(jié)構(gòu)的反射率或者透射率的知識，而是只需要知道與反射率或透射率線性變換相關(guān)的量。初始地，使用計算晶圓上分離區(qū)域的表面反射率所需的許多參數(shù)來構(gòu)造工藝的簡化的光學模型。利用例如現(xiàn)場監(jiān)視從晶圓的表面搜集反射率數(shù)據(jù)，并且從當前光譜與參考光譜的比率來確定歸一化反射率。參考光譜取自完全由一種材料構(gòu)成的參考晶圓，其中很好地特性化了反射特性。對觀察的和計算的數(shù)據(jù)都進行變換，使得它們的垂直范圍和光譜平均的值相一致。通過對觀察的數(shù)據(jù)和計算的模型都進行變化使得它們的垂直范圍和光譜平均的值相一致，則可以忍受數(shù)據(jù)和模型兩者中的大的誤差。采用了優(yōu)值函數(shù)，其利用特定選擇的參數(shù)來測量觀察的數(shù)據(jù)和模型之間的一致性?？梢岳脴藴蕯?shù)值技術(shù)對該優(yōu)值函數(shù)進行最小化，以便于在參數(shù)的正確值處找到優(yōu)值函數(shù)中的深的最小值。
文檔編號H01L21/66GK1774639SQ200480010356
公開日2006年5月17日 申請日期2004年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月19日
發(fā)明者安德魯·威克斯·屈恩 申請人:維里蒂器械公司