[发明专利]在高反射膜堆叠上的高吸收膜层的光学测量系统与方法

说明书

本文描述了用于以改进的测量灵敏度来对高吸收膜(例如，高K介电膜)执行基于光学的膜厚度测量的设备和方法。在高反射膜堆叠的顶部上制造高吸收膜层。高反射膜堆叠包含一组或多组名义上相同的多层不同的光学对比材料。高反射膜堆叠在特定的波长范围内引起光学共振。高吸收膜层和高反射膜堆叠的界面处的高反射率提高了被测光强度和测量灵敏度。选择高反射膜堆叠的不同材料层的厚度和光学色散以在期望的波长范围内引起光学共振。选择期望的波长范围以将被测量的高吸收膜的吸收最小化。

相关申请的交叉引用

本专利申请根据35U.S.C.§119要求2017年10月11日提交的序列号为62/571,100的美国临时专利申请的优先权，所述临时专利申请的主题通过引用整体并入本文。

技术领域

所描述的实施例涉及计量系统和方法，并且更具体地涉及用于改进半导体结构的测量的方法和系统。

背景技术

诸如逻辑装置和存储器装置之类的半导体装置通常通过应用于样品的一系列处理步骤来制造。通过这些处理步骤形成半导体装置的各种特征和多个结构层级。例如，光刻等等是涉及在半导体晶片上生成图案的一种半导体制造工艺。半导体制造工艺的附加示例包含但不限于化学机械抛光、蚀刻、沉积以及离子植入。可以在单个半导体晶片上制造多个半导体装置，然后将所述多个半导体装置分离成单独的半导体装置。

在半导体制造工艺期间，在多个步骤使用计量工艺来检测晶片上的缺陷以促进更高良率。光学计量技术在没有样本损坏的风险的情况下提供了高产出的潜在性。许多基于光学计量的技术(包含散射测量、反射测量以及椭偏测量实施方式和相关联的分析算法)通常用于表征纳米尺度结构的临界尺寸、膜厚度、组成、叠对层以及其它参数。

在许多半导体制造应用中，相对较厚的高吸收层直接沉积在衬底(例如，硅衬底)上或在衬底上制造的一组生产膜堆叠的顶部上。在一个示例中，将具有一微米厚度或更大厚度的碳层沉积在硅衬底上或沉积在硅衬底上的一组生产膜堆叠上。

由于随着照明光传播穿过层厚度到达层的底部以及随着反射光传播回来穿过层厚度到达层的顶部而发生的一定量的光损失，难以对相对较厚的高吸收层的厚度进行光学测量。结果，许多光学技术的信噪比(SNR)较低，因为只有一小部分照明光能够到达厚的吸收膜的底部并向上反射到检测器。因此，许多可用的高产出计量技术不能可靠地对厚的吸收膜层执行膜厚度测量。

例如，相对较厚的碳层实际上吸收了紫外和可见光谱中的所有测量光。作为响应，已经尝试使用红外(IR)照明提高测量灵敏度来对相对较厚的碳层执行光学厚度测量。因为与UV和可见光谱相比，碳在IR光谱中的吸收较少，所以采用IR照明。不幸的是，在红外光谱中从硅衬底的反射率非常低。这限制了测量灵敏度。尽管典型的产品堆叠在红外光谱中具有较高的反射率，但是产品堆叠使测量变得复杂，并且事实证明难以从源于产品堆叠的信号中提取指示碳层厚度的测量信号。

总之，涉及厚的高吸收膜层的半导体制造应用对光学计量系统提出了困难的要求。光学计量系统必须满足高产出下针对厚的高吸收膜厚度测量的高精度和准确性要求。需要克服这些限制的改进的膜构造以及计量系统和方法。

发明内容

本文描述了用于以改进的测量灵敏度来对高吸收膜(例如，高K介电膜)执行基于光学的膜厚度测量的设备和方法。

在高反射膜堆叠的顶部上制造被测量的高吸收膜层。高反射膜堆叠包含一组或多组名义上相同的多层不同的光学对比材料。高反射膜堆叠在特定的波长范围内引起光学共振。高吸收膜层和高反射膜堆叠的界面处的高反射率提高了透射通过高吸收膜并到达光谱仪的检测器上的光强度。以这种方式，指示高吸收膜的厚度的被测信号的振幅相对于测量本底噪声有所增大。结果，提高了对高吸收膜厚度的测量灵敏度。