特許 6882209 半導体ウェハ上の高さを測定するための方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6882209

(24)【登録日】2021年5月10日

(45)【発行日】2021年6月2日

(54)【発明の名称】半導体ウェハ上の高さを測定するための方法および装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/06 20060101AFI20210524BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/06 Z

【請求項の数】22

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2017-568049(P2017-568049)

(86)(22)【出願日】2016年6月28日

(65)【公表番号】特表2018-519524(P2018-519524A)

(43)【公表日】2018年7月19日

(86)【国際出願番号】US2016039900

(87)【国際公開番号】WO2017004089

(87)【国際公開日】20170105

【審査請求日】2019年6月20日

(31)【優先権主張番号】62/186,215

(32)【優先日】2015年6月29日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】15/192,962

(32)【優先日】2016年6月24日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500049141

【氏名又は名称】ケーエルエー コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】リー シーファン

(72)【発明者】

【氏名】ザオ グオフォン

【審査官】 續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−３１１６０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１２４５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−００９８２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２１６８８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１９１１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１８０１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第９６／０３４４０６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−０６１３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２２２１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１３７４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１１３６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６６５７２１６（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０３６７３８８８（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２１９９８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２２１８２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３１０５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０３００８９０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−１０１５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 韓国公開特許第１０−２０１１−０１０１５３７（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体構造の高さを判定するためのシステムであって、
異なる相対高さに複数の表面を有する試験片の方に１以上のソースラインまたはポイントを指向させる照射モジュールと、
表面から反射した光を検出する収集モジュールを含み、収集モジュールは、表面のうち１つから反射した光を受光するように配置された少なくとも２つの検出器を含み、第１検出器は焦点の前の位置からより多くの反射光を受光し、第２検出器は焦点の後の位置からより多くの反射光を受光し、その結果、表面のうちそのような１つが最適焦点にない限り、第１検出器と第２検出器は異なる強度値を有する光を受光し、
システムはさらに、高さ値を、異なる相対高さの２つの表面から、前記少なくとも２つの検出器のそれぞれによって受光された検出光を、前記２つの表面のうちの１つの他の１つに対する高さ値に変換することに基づいて判定するためのプロセッサシステムであり、前記高さ値は、前記２つの表面から前記第１検出器及び前記第２検出器で検出された光の差または比率に基づく関数またはモデルにより決定され、前記関数またはモデルは、

【数1】

但し、Ｄ１は第１検出器の光の強度
Ｄ２は第２検出器の光の強度
ｗは焦点深さの１／ｅ^２幅
Δは第１検出器と第２検出器の距離
Ｍは縦拡大係数
で表される、プロセッサシステムを備えるシステム。

【請求項2】

前記照射モジュールが、照射光を受光して、照射のソースポイントを試験片に指向させるためのピンホールを備え、
前記収集モジュールがさらに、
反射光の一部がそれを通って第１検出器に通される焦点の前に配置された第１ピンホールと、
反射光の一部がそれを通って第２検出器に通される焦点の後に配置された第２ピンホールを備え、第１検出器と第２検出器はフォトダイオード検出器である、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記照射モジュールが、照射光を受光して、照射のソースラインを試験片に指向させるためのスリットを備え、
前記収集モジュールがさらに、
反射光の一部がそれを通って第１検出器に通される焦点の前に配置された第１のスリットと、
反射光の一部がそれを通って第２検出器に通される焦点の後に配置された第２スリットを備え、第１検出器と第２検出器はフォトダイオードアレイである、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記収集モジュールはさらに、一対のピンホールまたはスリットを備え、一対のピンホールまたはスリットは、前記異なる相対高さの２つの表面の高さの予測範囲から反射された焦点が、イメージ空間に関してそのようなピンホールまたはスリットの間、またはそれらのうち一方の上に受け入れられるように配置されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記一対のピンホールまたはスリットは、表面のうち１つが焦点ぼけしている場合に異なる量の光を受光し、そのような表面が合焦している場合に等しい量の光を受光するように配置されている、請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

前記一対のピンホールまたはスリットは、表面のうち１つが特定分量だけ焦点ぼけしている場合に、第１と第２検出器のうち一方のみがその特定の表面から最大強度を受光するように配置されている、請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

前記照射モジュールが、照射光を受光し照射のソースラインを試験片に指向させるためのスリットを備え、
第１検出器は焦点の前に配置され、
第２検出器は焦点の後に配置される、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

前記照射モジュールが、照射光を受光し、その照射の複数のソースラインまたはポイントを試験片に指向させるための複数のスリットまたはピンホールを備え、
少なくとも２つの検出器は二次元画像センサである、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記高さ値は、少なくとも２つの検出器によって受光された検出光を表面の位置に関連付ける関数によって判定される、請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

収集モジュールは３以上の検出器を備え、関数またはモデルはさらに、３以上の検出器によって受光された検出光を表面の位置および縦拡大係数Ｍに関連付ける、請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

高さを判定する方法であって、
１以上のソースラインまたはポイントを、異なる相対高さに複数の表面を有する試験片に向け、
表面から反射された光を検出し、反射光は、表面のうち１つから反射した光を受光するように配置された少なくとも２つの検出器によって検出され、検出器のうち第１検出器は、最適焦点の前の位置からより多くの反射光を受光し、検出器のうち第２検出器は最適焦点の後の位置からより多くの反射光を受光し、その結果、表面のうちそのような１つが最適焦点にない限り、第１検出器と第２検出器は異なる強度値を有する光を受光し、
高さ値を、異なる相対高さの２つの表面から、前記少なくとも２つの検出器のそれぞれによって受光された検出光を、前記２つの表面のうちの１つの他の１つに対する高さ値に変換することに基づいて判定し、前記高さ値は、前記２つの表面から前記第１検出器及び前記第２検出器で検出された光の差または比率に基づく関数またはモデルにより決定され、前記関数またはモデルは、

【数2】

但し、Ｄ１は第１検出器の光の強度
Ｄ２は第２検出器の光の強度
ｗは焦点深さの１／ｅ^２幅
Δは第１検出器と第２検出器の距離
Ｍは縦拡大係数
で表される、
ことを含む方法。

【請求項12】

さらに、照射光を受光して、照射光のソースポイントをソースピンホールを介して試験片に指向させることを含み、第１ピンホールは、それを通って反射光の一部が第１検出器に通される最適焦点の前に配置され、また、第２ピンホールは、それを通って反射光の一部が第２検出器に通される最適焦点の後に配置され、第１検出器と第２検出器はフォトダイオード検出器である、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

照射光を受光して、照射光のソースラインをソーススリットを介して試験片に指向させることを含み、第１のスリットは、反射光の一部がそれを通って第１検出器に通される最適焦点の前に配置され、また、第２スリットは、反射光の一部がそれを通って第２検出器に通される最適焦点の後に配置され、第１検出器と第２検出器はフォトダイオードアレイである、請求項１１に記載の方法。

【請求項14】

照射光を受光して、照射光のソースラインをソーススリットを介して試験片に指向させることを含み、第１検出器は最適焦点の前に配置され、第２検出器は最適焦点の後に配置され、第１検出器と第２検出器はフォトダイオードアレイである、請求項１１に記載の方法。

【請求項15】

照射光を受光して、照射光の複数のソースラインまたはポイントを、複数のソースピンホールまたはスリットを介して試験片に指向させること、及び異なる相対高さの２つの表面の高さの予測範囲から反射された焦点が、イメージ空間に関してそのようなピンホールまたはスリットの間、またはそれらのうち一方の上に受け入れられるように配置されている、一対のピンホールまたはスリットにおいて前記２つの表面からの反射光を受光することを含み、少なくとも２つの検出器は二次元画像センサである、請求項１１に記載の方法。

【請求項16】

反射光は３以上の検出器によって検出され、関数またはモデルはさらに、３以上の検出器によって受光された検出光を、表面の位置と縦拡大係数Ｍに関連付ける、請求項１１に記載の方法。

【請求項17】

半導体試験片の２つの表面間の高さを判定するためのシステムであって、
ソースラインまたはポイントを複数の表面を有する試験片の方に、異なる相対高さで指向させるための照射モジュールと、
表面から反射された光を検出するための収集モジュールを備え、収集モジュールは、可変焦点レンズと、検出器と、表面のうち１つから反射された光を検出器に指向させるための収集スリットまたはピンホールを備え、
さらに、２つの表面間の高さを、２つの表面から、少なくとも２つの異なる焦点深さで受光した検出光に基づいて判定するためのプロセッサシステムであり、前記高さを、前記２つの表面からの前記検出光の差または比率に基づく関数またはモデルで判定し、前記関数またはモデルは、

【数3】

但し、Ｄ１は第１検出器の光の強度
Ｄ２は第２検出器の光の強度
ｗは焦点深さの１／ｅ^２幅
Δは第１検出器と第２検出器の距離
Ｍは縦拡大係数
で表される、プロセッサシステムとを備えたシステム。

【請求項18】

半導体試験片の２つの表面間の高さを判定するためのシステムであって、
複数のソースラインまたはポイントを、異なる相対高さに複数の表面を有する試験片の方に指向させるための照射モジュールを備え、ソースラインまたはポイントは、異なる焦点深さで試験片の方に指向され、
さらに、表面から反射された光を検出するための収集モジュールを備え、収集モジュールは、表面のうち１つから反射された光を受光するように位置決めされた少なくとも３つの検出器を含み、少なくとも３つの検出器は、各検出器が異なる焦点深さの光を受光するように、異なる焦点深さでソースラインまたはポイントに応答して反射した光を受光するように配置され、
さらに、高さを、表面のうち２つから、少なくとも２つの検出器によって受光された検出光に基づいて判定するためのプロセッサシステムであり、前記高さを、前記２つの表面からの前記検出光の差または比率に基づく関数またはモデルで判定し、前記関数またはモデルは、

【数4】

但し、Ｄ１は第１検出器の光の強度
Ｄ２は第２検出器の光の強度
ｗは焦点深さの１／ｅ^２幅
Δは第１検出器と第２検出器の距離
Ｍは縦拡大係数
で表される、プロセッサシステムとを備えたシステム。

【請求項19】

照射モジュールはさらに、ソースラインまたはポイントを、試験片上の異なるｘｙ位置に指向させるように構成されている、請求項１８に記載のシステム。

【請求項20】

３つの検出器は、複数のソースラインまたはポイントに応答して反射された複数の焦点が、少なくとも３つの検出器のうち２つの隣接する検出器の画像空間内のｚ位置の間に配置されるように位置決めされる、請求項１８に記載のシステム。

【請求項21】

収集モジュールは、さらに、一対のピンホールまたはスリットを備え、前記一対のピンホールまたはスリットは、前記第１検出器及び前記第２検出器に対し、前記第１検出器が最大予測不足焦点値のための最大光量を受光し、前記第２検出器が最大予測過焦点値のための最大光量を受光するように位置決めされる、請求項１に記載のシステム。

【請求項22】

さらに、照射光を受光して、照射光のソースポイントをソースピンホールを介して試験片に指向させることを含み、一対のピンホールまたはスリットは、前記第１検出器及び前記第２検出器に対し、前記第１検出器が最大予測不足焦点値のための最大光量を受光し、前記第２検出器が最大予測過焦点値のための最大光量を受光するように位置決めされる、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は一般に、半導体ウェハの特性評価の方法およびシステムに関し、より詳細には、半導体ウェハ上の構造または表面の高さの判定に関する。

【背景技術】

【0002】

関連出願の相互参照
本出願は、あらゆる目的でその全体の参照により本明細書に組み込まれる、Ｓｈｉｆａｎｇ Ｌｉらによって２０１５年６月２９日に出願された先願である米国仮特許出願第６２／１８６，２１５号の利益を主張する。

【0003】

集積回路の製造に用いられるフォトリソグラフィーまたは光リソグラフィーシステムはかなり前から存在していた。そのようなシステムは、製品の非常に微細な詳細の精密な製造および形成において非常に有効であることがわかっている。いくつかのフォトリソグラフィーシステムにおいて、回路イメージは、パターンを、光または放射ビーム（例えば、ＵＶまたは紫外線光）を介して転写することによって基板上に書き込まれる。例えば、リソグラフィーシステムは、回路イメージを、レチクルを通して、さらに、例えばフォトレジスト等の、照射に対して感応する材料で被覆されたシリコンウェハに投影する光源または放射線源を含み得る。露光されたフォトレジストは典型的に１つのパターンを形成し、そのパターンは、現像後に、例えば成膜および／またはエッチング等の後続の処理ステップ中にウェハの層をマスキングする。

【0004】

回路集積の大きな規模と、半導体デバイスのサイズの縮小化により、レチクルおよび製作されるデバイスは、クリティカルディメンション（ＣＤ）、高さ、膜厚および組成等の特徴のばらつきに増々感度が高まっている。特定の例では、ＴＳＶ（シリコンビアを介して）およびバンプ構造、または粒形（サイズおよび高さ）を評価する等の、三次元（３Ｄ）検査および計測が半導体産業ではしばしば用いられている。高さのばらつきは、修正されなければ、電気的タイミング誤差により、最終デバイスに所望の性能を満たし損ねさせる可能性がある。さらに悪いことには、高さのばらつきは、最終デバイスを不具合にして歩留まりに悪影響を与える可能性がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−３１１６０８号公報

【特許文献2】特開２００１−１２４５３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記を考慮して、構造の高さを判定する改良された計測装置と技法が必要とされる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

以下は、本発明の特定の実施形態の基本的理解を提供するために本発明の簡略化した概要を提示する。この概要は、本発明の広範な概要ではなく、本発明の主要／重要な要素を特定するわけではなく、または、本発明の範囲を定めるものではない。その唯一の目的は、本明細書で開示されるいくつかの概念を、以降に提示される、より詳細な説明の前置きとして略式に提示することである。

【0008】

一実施形態において、半導体構造の高さを判定するためのシステムが開示される。システムは、異なる相対高さに複数の表面を有する試験片の方に１以上のソースラインまたはポイントを指向させる照射モジュールと、表面から反射した光を検出する収集モジュールを含む。収集モジュールは、表面のうち１つから反射した光を受光するように配置された少なくとも２つの検出器を含む。検出器のうち第１検出器は焦点の前の位置からより多くの反射光を受光し、検出器のうち第２検出器は焦点の後の位置からより多くの反射光を受光し、その結果、表面のうち１つが最適焦点にない限り、第１検出器と第２検出器は異なる強度値を有する光を受光する。システムはさらに、高さを、表面のうち２つから、少なくとも２つの検出器によって受光された検出光に基づいて判定するためのプロセッサシステムも含む。

【0009】

１つの特定の実施において、照射モジュールは、照射光を受光して、照射のソースポイントを試験片に指向させるためのピンホールを備え、収集モジュールはさらに、（ｉ）反射光の一部がそれを通って第１検出器に通される焦点の前に配置された第１ピンホールと、（ｉｉ）反射光の一部がそれを通って第２検出器に通される焦点の後に配置された第２ピンホールを備える。第１検出器と第２検出器はフォトダイオード検出器である。

【0010】

別の実施形態において、照射モジュールは、照射光を受光して、照射のソースラインを試験片に指向させるためのスリットを備える。収集モジュールはさらに、（ｉ）反射光の一部がそれを通って第１検出器に通される焦点の前に配置された第１のスリットと、（ｉｉ）反射光の一部がそれを通って第２検出器に通される焦点の後に配置された第２スリットを備える。第１検出器と第２検出器はフォトダイオードである。

【0011】

一態様において、収集モジュールはさらに、一対のピンホールまたはスリットを備え、一対のピンホールまたはスリットは、合焦または非合焦表面から反射された焦点が、そのようなピンホールまたはスリットの間、またはそれらのうち一方の上に受け入れられるように配置されている。別の態様において、一対のピンホールまたはスリットは、表面のうち１つが焦点ぼけしている場合に異なる量の光を受光し、そのような表面が合焦している場合に等しい量の光を受光するように配置されている。さらに別の態様において、一対のピンホールまたはスリットは、表面のうち１つが特定量だけ焦点ぼけしている場合に、第１と第２検出器のうち一方のみがその特定の表面から最大強度を受光するように配置されている。

【0012】

別の実施形態において、照射モジュールは照射光を受光し、照射のソースラインを試験片に指向させるためのスリットを備える。この実施形態において、第１検出器は焦点の前に配置され、第２検出器は焦点の後に配置される。さらに別の態様において、照射モジュールは、照射光を受光し、その照射の複数のソースラインまたはポイントを試験片に指向させるための複数のスリットまたはピンホールを備え、少なくとも２つの検出器は二次元画像センサである。別の実施形態において、高さは、少なくとも２つの検出器によって受光された検出光を表面の位置に関連付ける関数によって判定される。別の態様において、収集モジュールは３以上の検出器を備え、関数はさらに、３以上の検出器によって受光された検出光を表面の位置および縦拡大係数Ｍに関連付ける。

【0013】

別の実施形態において、本発明は、高さを判定する方法に関する。１以上のソースラインまたはポイントは、異なる相対高さに複数の表面を有する試料に指向される。表面から反射された光が検出される。反射光は、表面のうち１つから反射した光を受光するように配置された少なくとも２つの検出器によって検出される。検出器のうち第１検出器は、焦点の前の位置からより多くの反射光を受光し、検出器のうち第２検出器は焦点の後の位置からより多くの反射光を受光し、その結果、表面のうちそのような１つが最適焦点にない限り、第１検出器と第２検出器は異なる強度値を有する光を受光する。高さは、２つの表面から少なくとも２つの検出器によって受光された検出光強度に基づいて判定される。

【0014】

一態様において、照射光は受光されて、照射光のソースポイントはソースピンホールを介して試験片に指向される。第１ピンホールは、それを通って反射光の一部が第１検出器に通される焦点の前に配置され、また、第２ピンホールは、それを通って反射光の一部が第２検出器に通される焦点の後に配置され、第１と第２検出器はフォトダイオード検出器である。別の態様では、照射光は受光されて、照射光のソースラインはソーススリットを介して試験片に指向される。第１のスリットは、反射光の一部がそれを通って第１検出器に通される焦点の前に配置され、また、第２スリットは、反射光の一部がそれを通って第２検出器に通される焦点の後に配置され、第１と第２検出器はフォトダイオードアレイである。

【0015】

別の例では、照射光は受光されて、照射光のソースラインはソーススリットを介して試験片に指向され、第１検出器は焦点の前に配置され、第２検出器は焦点の後に配置され、第１と第２検出器はフォトダイオードアレイである。さらに別の例において、照射光は受光されて、照射光の複数のソースラインまたはポイントは、複数のソースピンホールまたはスリットを介して試験片に指向され、少なくとも２つの検出器は二次元画像センサである。

【0016】

一態様において、高さは少なくとも２つの検出器によって受光された検出光を表面の位置に関連付ける関数によって判定され、反射光は３以上の検出器によって検出される。この態様において、関数はさらに、３以上の検出器によって受光された検出光を表面の位置と縦拡大係数Ｍに関連付ける。

【0017】

別の開示される実施形態において、装置は、ソースラインまたはポイントを、異なる相対高さに複数の表面を有する試験片の方に指向させるための照射モジュールと、表面から反射された光を検出するための収集モジュールを含む。収集モジュールは、高速可変焦点レンズと、検出器と、表面のうち１つから反射された光を検出器に指向させるための収集スリットまたはピンホールを備える。システムはさらに、２つの表面から少なくとも２つの異なる焦点深さで受光された検出光に基づいて、２つの表面間の高さを判定するためのプロセッサシステムを含む。

【0018】

さらに別の実施形態では、システムは、複数のソースラインまたはポイントを、異なる相対高さに複数の表面を有する試験片の方に指向させる照射モジュールを含み、ソースラインまたはポイントは、試験片の方に異なる焦点深さで指向される。システムはさらに、表面から反射された光を検出するための収集モジュールを有し、収集モジュールは、表面から反射された光を受光するように配置された少なくとも２つの検出器を含む。少なくとも２つの検出器は、各検出器が異なる焦点深さの光を受光するように、ソースラインまたはポイントに応答して反射された光を異なる焦点深さで受光するように配置されている。システムはさらに、少なくとも２つの検出器によって表面のうち２つから受光された検出光に基づいて高さを判定するためのプロセッサシステムを有する。別の態様において、照射モジュールはさらに、ソースラインまたはポイントを、試験片上の異なるｘｙ位置に指向させるように構成される。

【0019】

本発明のこれらおよびその他の態様は、図面を参照して以下にさらに説明される。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1A】本発明の一実施形態による微分検出器を有するポイント走査システムの概略図である。

【図1B】本発明の一実施形態による微分検出器を有するポイント走査システムの概略図である。

【図1C】本発明の一実施による、３つの異なる表面からの反射の簡略概略図である。

【図1D】図１Ｃの３つの表面からの、ｚ位置の関数としての検出されたｚ軸強度のグラフである。

【図2A】本発明の２つの代替的実施形態による微分検出器を有するライン走査システムの概略図である。

【図2B】本発明の２つの代替的実施形態による微分検出器を有するライン走査システムの概略図である。

【図3A】本発明の別の実施による高速可変焦点レンズを有するラインスキームシステムを示す図である。

【図3B】本発明の別の実施による高速可変焦点レンズを有するラインスキームシステムを示す図である。

【図4A】一つの代替的実施形態による平行なソーススリットを用いるシステムを示す図である。

【図4B】別の代替的実施形態によるソーススリットのチェックボードパターンを用いるシステムを示す図である。

【図5A】本発明の別の実施形態による、複数のライン走査を異なる焦点深さで投影するためのシステムの線図である。

【図5B】図５Ａの検出器の相対位置決めを示す図である。

【図6】本発明の一実施形態による構造の高さを判定するための手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下の説明において、本発明の完全な理解を提供するために数々の特定の詳細が記載される。本発明は、これら特定の詳細の一部または全てがなくても実施され得る。別の例では、本発明を不要に不明瞭にしないために、よく知られるプロセス操作については詳細に説明していない。本発明は特定の実施形態と合わせて説明されているが、それは本発明をその実施形態に限定する意図はないことを理解されたい。

【0022】

高さを判定するためのいくつかの技法は、（１）三角測量、（２）幾何学的影、（３）種々の共焦点顕微鏡の使用および（４）白色光（または広帯域光）干渉計の使用を含み得る。はじめの２つの方法は、現代のＭＥＯＬ（ミッドエンドオブライン）またはＢＥＯＬ（バックエンドオブライン）アプリケーションにおける現行の精度要求に見合わなくなってきている。後ろ２つの方法は典型的に現行のスループット要求を満たしていない。

【0023】

共焦点方法は典型的に、クロマティックな回転ディスク、または走査ツールに対して構成されている。共焦点方法は典型的に、クロマティックおよび走査スキーム両方で低速である。クロマティックレイアウトにおいて、試料上の各ポイントはスペクトルの測定に対応する。走査スキームのためにマルチフレームが取得されなければならない。走査スキームはさらに、有限フィルレシオ、例えばピッチに対するピンホールの割合を克服する必要がある。

【0024】

白色光干渉法は、半導体産業における３Ｄ検査および計測のための高分解能方法を提供できる。２つのタイプのそのようなデバイスが市場に存在する：（１）走査白色光干渉計（「ＳＷＩ」）および（２）顕微鏡白色光干渉計。ＳＷＩデバイスでは、試料（例えば、検査対象のウェハ）または検査光学素子のいずれかが、ｚ方向等の、ウェハ表面に対して垂直な方向に沿って、距離に関して走査する。ウェハ表面上の特定のｘ−ｙ位置に関する高さ測定を判定するために、特定のｚ値で複数のフレームが取得される。そのようなＳＷＩデバイスは堅牢であるが、一般に、各ｘｙ位置に対して複数のｚ測定を要するため低速である。さらに、この技法は試料が視野まで移動されて測定が行われる前に安定化されることを要し、それが、例えば、ウェハ全体が走査される場合に速度を制限する。同様に、現行の顕微鏡白色光干渉計のスループットもまた、半導体産業の必要を満たすには低調である。

【0025】

半導体検査および計測プロセスにおける光プローブ（ＯＰ）に、自動フォーカス機構が用いられてもよい。この技法において、チョッパーは、フーコーテスト等の同様の原理を用いて、焦点が予め設定した位置にあるか、またはその背後またはそれより後であるかを検査するために用いられる。光はチョッパーを介して２分割光検出器に通る。２分割光検出器とチョッパーは、ロックインアンプに電子的に接続されている。光が合焦していると、チョッパーからの基準信号と、２分割光検出器の２つのチャンネルからの信号との間にはゼロ位相シフトがある。光が不足焦点または過焦点である場合、１つのセルの位相はそれぞれ基準信号に対して負または正にシフトされ、もう１つのセルの位相は反対方向にシフトされる。１００ｘ対物レンズをもって、この方法は焦点を検出して、２０ｎｍより良くサーボループして制御できる。しかしながら、チョッパー技法のスループットには限度がある。

【0026】

要約すると、三角測量と幾何学的影技法は典型的に、ターゲット構造高さが１５ミクロン未満まで縮小した場合に、３Ｄ検査に要求される精度と確度を提供しない。共焦点および干渉法方法は多くの場合、例えば、ＭＥＯＬまたはＢＥＯＬにおける３Ｄ検査に要求されるスループットを提供せず、また高価すぎる。

【0027】

構造高さを判定するための実施形態例
本発明のいくつかの実施形態は、高精度であると同時に高速度である高さ判定に達するための新規の手法を提供する。本発明のいくつかの実施形態は、被検物の高さ情報に対応する焦点シフトを、同じ試験サイトで異なる照射条件またはｚ位置下での付加的な測定を得ることなく推定するために微分検出器を用いる、半導体ウェハ上の構造高さを測定するための装置および方法を含む。この操作を明確に示すために、２つの例示的実施、すなわちポイント走査とライン走査レイアウトが本明細書において説明される。付加的に、高速合焦微分検出の実施形態も説明される。

【0028】

ポイント走査システムとライン走査システムはそれぞれ一般に、異なる相対高さに複数の表面を有する試験片の方に１以上のソースラインまたはポイントを指向させる照射モジュールを含む。システムはさらに、表面のうち２つから反射した光を検出する収集モジュールを含むことができ、そのような収集モジュールは、その２つの表面から反射した光を受光するように配置された少なくとも２つの検出器を含む。少なくとも第１検出器は焦点の前の位置からより多くの反射光を受光する傾向となり、検出器のうち第２検出器は焦点の後の位置からより多くの反射光を受光する傾向となり、その結果、最適焦点にない限り、第１検出器と第２検出器は異なる強度値を有する光を受光する。さらに、１つ以上のプロセッサは、２つの表面間の高さを、２つの（またはそれ以上の）検出器によって感知された光の強度に基づいて判定するように構成されてもよい。

【0029】

図１Ａおよび１Ｂは、本発明の一実施形態による微分検出器（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を有するポイント走査システム１００の概略図である。図示のように、システム１００は、１以上の光ビームを生成するための光源１０２を含む。光源は、１以上の電磁波形を生成するための任意の形態を取ってもよい。複数の光源が用いられてもよい。１以上の光源は、１つのみの波長を有する光（例えば、単色光）、いくつかの分離した波長を有する光（例えば、多色光）、複数の波長を有する光（例えば、広帯域光）、および／または連続しているか、または波長間でホッピングするかのいずれかの、波長を通して掃引する光（例えば、調整式源または掃引源）を有する光を発してもよい。例えば、被検材の上に入射する光に対して透過性または不透明を達成するために、異なる材料に対して異なる波長が用いられてもよい。光源１０２にはレーザー光源が用いられてもよく、それは、白色光干渉法やクロマティック共焦点顕微等の顕微鏡手法と比べてより高い輝度を提供できる。ダイオードレーザー等のレーザー光源は、光源の耐用年数、安定性および温度制御を改善する。適切な光源の他の例は、白色光源、紫外線（ＵＶ）レーザー、アークランプまたは無電極ランプ、カラーまたは白色光発光ダイオード（ＬＥＤ）、例えば、マサチューセッツ州ＷｏｂｕｒｎのＥｎｅｒｇｅｔｉｑ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｎｃから商業的に入手可能なレーザー維持プラズマ源等のレーザー維持プラズマ（ＬＳＰ）源、ニュージャージー州ＭｏｒｇａｎｖｉｌｌｅのＮＫＴ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｉｎｃ.から商業的に入手可能なスーパーコンティニューム源等のスーパーコンティニューム源（広帯域レーザー源等）、またはｘ線源等の短波長源、極端ＵＶ源またはそれらの何らかの組み合わせである。光源（複数の場合あり）は、十分な輝度を有する光を提供するように構成されてもよく、その輝度は、場合により、約１Ｗ／（ｎｍ ｃｍ２Ｓｒ）を超える輝度であってもよい。計測システムは、その出力と波長を安定化するために、光源への高速フィードバックを含んでよい。光源の出力は、自由空間伝搬を介して供給されても、またはいくつかの場合には光ファイバーまたは任意のタイプの光ガイドを介して供給されてもよい。

【0030】

システム１００は１つのソースピンホール１０４も含んでよく、それを介して、生成された光ビームが第１ビームスプリッタ１１０に指向されて第１ビームスプリッタ１１０から反射されて、異なる相対高さに種々の表面または構造を有する半導体ウェハ等の試料１０１上に、対物レンズ１０６を介して投影される。対物レンズ１０６は、テレセントリックタイプなどの高倍率対物レンズであってよい。入射光の一部または全部は対物レンズ１０６を通って試料１０１の少なくとも一部分の上にポイントで（例えば、図１Ａの１０８ａ）通る。照射ポイントでの入射光のスポットサイズは回折制限されてよい。

【0031】

ウェハ１０１は、入射光を特定の測定サイトで受光するようにウェハ１０１を位置決めするように構成されたステージ（図示せず）上に配置されてもよい。ステージは固定されていても、または、ｘ方向、ｙ方向および／またはｚ方向に走査してもよい。ウェハ１０１は、一例では、機械式および／または静電締付によってステージに締め付けられてもよい。例えば、ステージは、入射光１０６の軸に対して垂直な平面（例えば、ｘ−ｙ平面）、またはそのような入射軸に対して平行な方向（例えば、ｚ軸）にウェハ１０１を並進移動させてもよい。

【0032】

次に光はウェハ１０１から反射されて散乱され、対物レンズ１０６を介して収集される。このシステムは、反射光の経路に配置された、反射ビームを２つの出力ビームに分割するための材料から構築された第２ビームスプリッタ１１２をも含む。ビームスプリッタ１１０に対するビームスプリッタ１１２の配向と厚さは、画像の質を維持するように選択される。第１と第２ピンホール１１７ａおよび１１７ｂはそれぞれ、分割されたビーム経路各々に配置されている。第１ピンホール１１７ａは焦点の前に配置され、第２ピンホール１１７ｂは焦点の後に配置される。システムはさらに２つの検出器１２０ａおよび１２０ｂ、例えばフォトダイオード検出器（ＰＤ１およびＰＤ２）も含み、それらは、分割された出力光を、それらの対応するピンホールからそれぞれ受光して、検出された出力光に対応する出力信号または画像を出力するためのものである。

【0033】

ピンホールのサイズは、光の一部（例えば〜５０％）がピンホールによって遮断されるように、ピンホールの位置において実際のビームサイズよりも小さい傾向がある。画像化される構造表面が焦点面（例えば、図１Ａに示す１０８ａ）にある場合、光検出器１および２で受光される光強度は等しいまたは「均衡」している。図１Ｂを参照すると、被検構造は最適焦点面に位置決めされていない。この例では、実際の構造の頂面から外れた反射ポイント１０８ｂはソースピンホール１０８ａの焦点よりも下方にあり、その結果、反射ビーム１０８ｃは照射焦点より下で合焦する。そのとき、第１ピンホール１１７ａは、そのような第１ピンホール１１７ａのより大きなスポットにより、より多くの出力光を遮断する。対照的に、第２ピンホール１１７ｂは、第１ピンホール１１７ａにおいてビームが焦点により接近しているため、より少ない出力光を遮断する。この場合ＰＤ２（１２０ｂ）はＰＤ１（１２０ａ）よりも高い出力強度レベルを受ける。

【0034】

図１Ｃは、本発明の一実施による、３つの異なる表面からの反射の簡略概略図である。この図は、３つの異なる代替的表面高さＳ_１−Ｓ_３を示している。表面Ｓ_３は、Ｓ_２よりも高い高さに配置され、Ｓ_２はＳ_１よりも高い高さに配置されている。図１Ｃは、合焦、不足焦点、過焦点の表面の光線挙動を示す。この例では、点光源１３１は、表面Ｓ_２（１３０ｂ）に合焦して示されている。この点光源１３１はさらに、表面Ｓ_３（１３０ｃ）に対して不足焦点、および表面Ｓ_１（１３０ａ）に対して過焦点状態で示されている。

【0035】

この例では、２つの検出器Ｄ_１およびＤ_２があり、表面Ｓ_２（１３４ｂ）の焦点が、Ｄ_１とＤ_２の位置の中間である位置に来るように、画像空間に配置されている。この例において、表面Ｓ_３（１３４ｃ）からの不足焦点反射光は検出器Ｄ_２の位置で合焦するのに対し、表面Ｓ_１（１３４ａ）からの過焦点の反射光は検出器Ｄ_１の位置で合焦する。

【0036】

１実施の例では、収集ピンホールは、予測範囲の高さから反射された焦点が全て、２つの検出器の間または２つの検出器上に投影されるように配置される。２つの検出器の間の間隔には融通性があってよく、測定範囲（２つの検出器が離れれば離れるほど、ｚ範囲が大きくなる）と測定精度（表面位置が焦点から離れ過ぎると、検出器信号は弱くなり過ぎ、測定される強度がノイズと比べて弱くなる）にはトレードオフがある。典型的に、２つの検出器は、画像空間内でＦＷＨＭ（半値全幅）焦点深さと同じ長さに配置されてよい。

【0037】

一般に、収集ピンホールは、予測される照射焦点に対する表面位置値の予測範囲に基づいて、互いに対して、また、それらの対応する検出器に対して配置されてもよい。収集ピンホールの配置はさらに、好ましくは、両検出器からの光量間の比較に十分な光の収集を、そのような収集信号レベルより高いノイズレベルを有さない、例えば、信号対雑音（ＳＮＲ）要求範囲内となるように得るように選択される。例えば、収集ピンホールは、約１より大きい、または約５０より大きいＳＮＲ値を有するように配置される。

【0038】

図１Ｄは、ｚ位置の関数として、図１Ｃの３つの表面から検出されたｚ軸強度のグラフである。各曲線は、異なる表面Ｓ_１、Ｓ_２およびＳ_３から反射して戻った光の軸上ｚ強度分布であり、それは、ｚの位置に配置されたピンホール（またはスリット）検出器の出力信号でもある。２つの縦線は、２つの検出器Ｄ_１およびＤ_２の位置と、異なる表面位置の反射光に応答したそれらの対応する出力を標示している。

【0039】

強度のレベルは、試験対象の特定の表面上の焦点ぼけの量と、各検出器の特定の位置に依存する。検出器は、光が不足焦点または過焦点状態である場合に異なる量の強度を検出器が受け取るように配置されている。図１Ｄに示すように、検出器Ｄ_１は、光が不足焦点状態であり表面Ｓ_１から反射された場合に、検出器Ｄ_２よりも多くの光を受光する。同様に、検出器Ｄ_２は、光が過焦点状態であり表面Ｓ_３から反射された場合に、検出器Ｄ_１よりも多くの光を受光する。対照的に、両検出器Ｄ_１およびＤ_２は、ソースポイントが表面Ｓ_２上に合焦している場合に表面Ｓ_２から実質的に等しい反射光を受光する。

【0040】

異なる表面のピークは異なるｚ位置で発生し、異なる検出器によって捕捉されることにも留意されたい。例えば、Ｓ_１からの信号のピークは、位置ｚ１で検出器Ｄ_１によって捕捉されるのに対し、信号Ｓ_３のピークは、位置ｚ２で検出器Ｄ_２によって捕捉される。実際に、異なる表面曲線間の強度値は、構造の表面が照射焦点に合致する、または最適合焦にある場合以外は、広範なｚ位置において互いと大きく異なっている。言い換えると、検出器は、一方の検出器が最大予測不足焦点値のための最大光量を受光し、他方の検出器が最大予測過焦点値のための最大光量を受光するように、ピンホールに相対して位置決めされてもよい。

【0041】

２つの異なる表面位置間の高さの差はＨｔ＝Ｓ_ａ−Ｓ_ｂであり、そのようなＨｔは、以下の式に基づいて計算され得る。Ｍは光学素子設計によって知られる縦拡大係数である。しかしながら、倍率は表面特性に依存してもよく、例えば、鏡面Ｍは、拡散表面またはポイント被写体より２倍大きい。
Ｄ＝ｆ（ｚ）＝ｆ（Ｍ_ｓ）
Ｄａ＝Ｆ（ｓ_ａ）
Ｄｂ＝Ｆ（ｓ_ｂ）

【数1】

【0042】

関数Ｆは、高さを計算するために生成される。関数Ｆは、良好に補正された光学素子で知られ得る。代替的にまたは付加的に、関数Ｆは、既知の試料表面を用いて校正されてもよい。最も単純なケースは、正規化された微分信号を取ることによってＦがガウス関数であると仮定することであり、それはＦのいくつかの共通強度因子を相殺することを可能にする。Ｍは表面タイプ毎に変わるため、複数の検出器の信号からもＭが計算され得るように、２つより多い検出器が用いられてもよい。

【0043】

次に、関数Ｆは、ＰＤ１およびＰＤ２からの強度を、そのような２つの異なる表面からの反射ポイントの２つの表面間の高さに変換するために用いられ得る。複数位置の検出器および複数の表面から検出された微分信号を高さ測定基準に変換するために、任意の適切な関数Ｆが生成されてよい。例えば、共焦点ｚ応答の一例の関数Ｆは以下のように表される。

【0044】

【数2】

【0045】

但し、ＮＡは対物レンズの開口数であり、λは波長である。

【0046】

別法として、関数は、焦点ぼけの小さな範囲内でガウス関数によって概算されてもよい。

【0047】

【数3】

【0048】

但し、ｗは焦点深さの１／ｅ２幅であり、Ｉ_０は基準倍率であり、Δ＝ｚ_１−ｚ_２は、２つの検出器間の距離であり、また、Ｚ_０測定対象表面の焦点応答曲線のピーク位置であり、それは、２つの検出器信号の比率から導出され得る。

【0049】

【数4】

【0050】

すると表面のｚ高さは以下によって与えられる。

【0051】

【数5】

【0052】

但し、Ｄ_１は第１検出器からの強度値であり、Ｄ_２は第２検出器からの強度値であり、Ｍは光学素子の縦倍率でありｋは基準倍率である。Ｉ_０およびｋ等の基準倍率は、既知の表面位置（またはｚ位置）、および既知の焦点位置（最適、不足焦点および過焦点）から判定され得る。Ｍが未知である、または試料特性によって影響される場合、ｋは、未知である試料特性に依存することになる。その場合、一対より多い検出器の率を比較することによってｋが相殺され得るように、２より多い検出器が、ｚ高さを測定するために用いられてよい。上記の関数Ｆは、本明細書で説明されるような高さ判定プロセスで用いられ得る異なる波長範囲等の異なる動作条件に関して校正されてもよい。

【0053】

測定された差または比率信号に基づいて、高さを判定するための関数またはモデルが、任意の適切な技法によって生成されてもよい。例えば、種々の高さに複数の構造を有する校正ウェハの高さを測定することによって複数の既知の高さを得てもよい。差または比率検出信号は次に、既知の構造から取得されて、モデルを生成するために用いられてよい。例えば、モデルは、上記で説明した、高さを判定するための式の形態を取ってもよい。定数ｋは、校正ウェハに基づいて決定され得る。別の例では、複数の既知の高さと差または比率信号は、高さモデルを生成するためにシミュレートされて用いられてもよい。さらに別の実施形態において、レシピセットアップ中に、特定のタイプのアプリケーション用の高さを構築するために、検出された差または比率信号間の関数を生成するために、基準方法が用いられてもよい。

【0054】

ピンホールシステム（例えば、図１Ａ−１Ｄで示したような）に関して上記で説明した微分検出原理は、ライン走査スキームにも拡張され得る。図２Ａおよび２Ｂは、そのような拡張の例示的実施形態を示す。図２Ａに示すように、入射光２０２をソーススリット２０４を介して通すことによって、入射光２０８のラインがウェハ上に照射される。試料にわたり入射光のラインを走査することは当然、より高速の技法をもたらす。この代替的システム２００も、図１Ａおよび１Ｂのシステム１００の２つのピンホール１１７ａおよび１１７ｂに置き換わる２つのスリット２１７ａおよび２１７ｂを含んでもよい。このライン走査システム２００はさらに、図１Ａおよび１Ｂのシステム１００の２つのＰＤ１２０ａおよび１２０ｂにそれぞれ置き換わる２つの光検出器アレイ（ＰＤＡ）２２０ａおよび２２０ｂを含んでもよい。

【0055】

必須ではないが、システム２００はさらに、より高い光効率を達成し、ラインに沿った適切な横方向分解能を提供するために、出力光をさらに、それぞれの対応するＰＤＡに合焦するための、２１８ａおよび２１８ｂのような任意の適切なレンズを含んでよい。すなわちラインスキームシステム２００はさらに、各スリットのラインに沿った空間分解能をより良く分解するために２つのＰＤＡの前に追加される２つのレンズ２１８ａおよび２１８ｂを含んでもよく、その結果、少なくともウェハに合焦している場合に、ウェハ上の各ポイントがラインに沿ってＰＤＡ上に鮮明に画像化される。ＰＤＡはさらに、ウェハ上の焦点から外れたポイントが、システムの焦点深さ内またはほぼ焦点深さ内にあるように位置決めされてもよい。

【0056】

図２Ｂは、本発明の別の実施形態によるライン走査スキームの簡略バージョンを示す。この簡略バージョンでは、スリット機能は、ＰＤＡ２３０ａと２３０ｂの有限幅に置き換えられる。したがって、ＰＤＡの前の２つのレンズ（図２Ａに示すレンズ２１８ａおよび２１８ｂ）は省略され得る。

【0057】

検出された信号を高さの値に変換する上記に説明した方法は、ライン走査システムに拡張されてもよい。例えば、ウェハ上の同じポイントに対応するＰＤＡ１およびＰＤＡ２の画素から検出された強度値は、ラインに沿ってポイント毎のスタイルで、上記に説明したのと同じ方式で処理されてもよい。

【0058】

別の代替的システムは、高速可変焦点レンズ（フランス、パリのＰａｒｒｏｔのビジネスユニットであるＶａｒｉＯｐｔｉｃによるＬｉｑｕｉｄ Ｌｅｎｓ等）を実装して、図２Ａまたは２Ｂの第２ビームスプリッタ２１２、第２スリット２１７ｂおよび第２ＰＤＡ２２０ｂを置き換えてもよい。図３Ａおよび３Ｂは、本発明の別の実施による高速可変焦点レンズ（またはリキッドレンズ）３５０を有するラインスキームシステムを示す。この代替実施において、リキッドレンズ３５０は、図３Ａに示すようにスリット２１７ａの前のポイント３５２ａにおいてソーススリットを合焦するための第１焦点距離に設定される。測定は、この第１の焦点距離で行われる。次にリキッドレンズ３５０は、図３Ｂに示すようにスリット２１７aの後のポイント３５２ｂにおいてソーススリットを合焦するための第２焦点距離に設定される。そしてもう１つの測定が得られる。次に、同じアルゴリズムを用いて、２つの表面からのこれらの２つの測定を高さに変換してもよい。

【0059】

ラインスキームの実施形態はさらに、エリア検出スキームに変えられてもよい。例えば、ソーススリットはストリップライン（図４Ａ）またはチェッカーボードパターン（図４Ｂ）として拡張されてもよく、また、ＰＤＡは、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等といった二次元画素化された画像センサによって置き換えられる。複数のストリップラインまたはチェッカーボードパターンのラインは、回折光学素子（ＤＯＥｓ）、プリズム等の任意の適切なビーム分光機構によって達成されてよい。いくつかの実施形態では、各検出器の画素は対応する照射構造の画素構造に位置合わせされる。これらのエリアスキームにおいて、二次元検出器からより多くのデータが得られ、それはさらに、システムがどの程度焦点ずれしているかと、より高い信号対雑音比を判定することを可能にする。

【0060】

本明細書で説明されるいずれの実施形態でも、任意の適切な個数の検出器が使用されてよい。２つより多い検出器が使用される場合、好ましくは検出器はｚ軸に沿って略同じ距離のところに配置される。例えば、２つより多いＰＤまたはＰＤＡを用いて、２つのＰＤまたはＰＤＡのみを用いるのと比べてより大量のデータを取得してもよい。異なる検出器は予測焦点または高さ範囲に相対して異なる位置に配置されてよい。検出器の個数を増やすと、表面特性変化が未知である場合の表面高さ判定におけるあいまいさを解決する傾向となる。より多くの検出器はさらに、増加した信号対雑音比率またはウェハ上の構造の拡張した測定高さ範囲をもたらす。

【0061】

２つより多い検出器が用いられた場合、既知の高さまたはよく知られる／シミュレートされた光学素子システムおよび既知のｚ位置のセットでの複数の既知の測定に対する検出器の相対位置に基づいて関数が生成されてもよい。焦点関数Ｆは、関数Ｆを決定するために十分な個数の検出器がある限り、既知である必要はない。高さを判定するための技法はさらに、そのような関数に、２つより多い検出器から検出された信号を使用して、２つの表面間の高さ、ならびに、本明細書で説明したように、Ｍ、Ｉ_oおよびｋ等のその他のパラメータを判定することを含んでもよい。

【0062】

適合率へのｚ範囲として定義され得る測定のダイナミックレンジは、ＤＯＦ（焦点深さ）が限定されている場合により高いＮＡに限定され得る。ダイナミックレンジを拡張するために、異なるｚ高さで合焦した複数の照射ビームが用いられ得る。複数の照射ビームの焦点は、ＤＯＦ対物レンズ空間とほぼ同じ長さのところで間隔を置いていてよい。複数の検出器は、隣接するビームの焦点間にそれぞれ１つが配置された状態で配置され得る。図５Ａは、本発明の別の実施形態による、異なる焦点深さで複数のライン走査を投影するためのシステム５００の線図である。図示のように、システムは、照射ライン５０４を受光して整形するための１以上のレンズ５０６を含み、照射ライン５０４は、複数の照射ラインを生成するために光学素子（回折光学素子またはＤＯＥ５０７等の）の方に指向される。図示の実施形態において、２つの照射ビーム５１２ａおよび５１２ｂが、ＤＯＥ５０７によって生成されて、ビームスプリッタ５１０および対物レンズ５０６を介して２つの異なる焦点深さで試料５０１に入射する。勿論、例えば、２以上のラインまたはポイントの形式の２つより多い照射ビームが生成されて試料に指向されてもよい。

【0063】

次に、複数の出力ビームが、異なる焦点深さでの複数の入射ビームに応答して試料から反射される。複数の出力ビームは、１以上のレンズ（５１４等の）によって２つ以上のビームスプリッタ（例えば、５１６ａおよび５１６ｂ）上に合焦され、ビームスプリッタは次に、異なる出力ビームを、それぞれラインＣＣＤ５１８ａ，５１８ｂおよび５１８ｃ等の異なる検出器の方に指向させる。ＣＣＤは、２つのビーム（５１２ａおよび５１２ｂ）の２つの反射された焦点が、２つの隣接するＣＣＤの画像空間内のｚ位置の間に配置されるように位置決めされる（図５Ｂ参照）。したがって、ダイナミックレンジは、単一ビーム構成と比べて二倍拡張される。例えば、５１８ｂおよび５１８ｃの検出器ペアは、表面高さがＣＣＤペア５１８ａおよび５１８ｂの範囲外である場合も依然として測定を生成できる。

【0064】

ｚ方向内で複数の照射ラインまたはポイントを偏位させることに加えて、これらの複数の入射ラインおよびポイントは、ｘｙ方向平面においても偏位され得る。この後者の実施形態において、ビームスプリッタは、偏位出力ビームを異なる偏位検出器に反射する単純なミラーまたはプリズムで置き換えられることができ、それは、例としてビームの５０％を喪失するビームスプリッタと比べて、各出力ビームのより高いパーセンテージの検出を可能にする。上記に説明した実施形態のいずれも、そのような単純なミラーまたはプリズムを実装してもよい。

【0065】

上記に説明した実施形態は、表面の各ペアの少なくとも２つの強度値を、そのような表面間の高さを判定するために用いる。これらの装置および技法は、強度が波長とともに散開して、各画素が対応する限定された波長帯域幅内で強度を検出する場合に、スペクトル範囲を用いるクロマティック共焦点スキームよりも効率がよい。また、いくつかの実施形態でのウェハ上のポイント毎のデジタル化された操作の数は、スペクトル情報を得るために数百ものデジタル化された数を要するクロマティックスキームよりもかなり少なくてもよい。こうして、本発明のいくつかの装置および技法はかなり高速の傾向となる。さらに、照射でピンホールアレイを用いる共焦点システムは、ピンホール間のギャップを残し、これらの穴を覆う方法を要し、それがさらに動作効率を下げる。

【0066】

測定サイトから取得された２以上の出力信号または光ビームは、ビーム経路内に、偏光制御要素、波長制御要素およびビーム伝搬方向制御要素等の付加的な光状態制御要素を追加することによって、互いから差し引かれるか、または互いに比較され得る任意の信号タイプとして検出されてもよい。信号の例は、限定はしないが、Ψ、Δ、Ｒｓ（ｓ偏光の複素反射率）、Ｒｐ（ｐ偏光の複素反射率）、Ｒｓ（｜ｒ_ｓ｜^２）、Ｒｐ（｜ｒ_ｐ｜^２）、Ｒ（無偏光反射率）、α（分光“アルファ”信号）、β（分光“ベータ”信号）、および、ｔａｎ（Ψ）、ｃｏｓ（Δ）、（（Ｒｓ−Ｒｐ）／（Ｒｓ＋Ｒｐ））等のこれらのパラメータの関数、ミュラー行列要素（Ｍｉｊ）等を含む任意のタイプの光散乱計測信号、分光法信号、楕円偏光法信号および／または反射光測定信号を含む。信号は、代替的にまたは付加的に、入射角、検出角、偏光、入射の方位角、検出方位角、角度分布、位相または波長、またはこれらのパラメータの１を越える組み合わせの関数として測定され得る。信号は、上記に説明した任意の楕円偏光法および／または反射光測定の複数の信号タイプの平均値等の、信号の組み合わせの特性評価でもあり得る。他の実施形態は、単色またはレーザー光源を用いてもよく、その場合、信号のうち少なくとも１つは、複数の波長の代わりに単一の波長で得られてもよい。照射波長は、例えばＸ線波長から遠赤外波長までの任意の範囲であり得る。

【0067】

図６は、本発明の一実施形態による、構造の高さを判定するための手順６００を示す。操作６０２で、光は、未知のｚ位置の表面を有する試料の上に、１以上のピンホールまたはスリットを介して指向される。次に操作６０４で、焦点に対して異なる位置から受光するように位置決めされた２以上の検出器それぞれから信号が収集され得る。例えば、異なる位置は、焦点の前に収集ピンホール／スリットを有すること、および焦点の後に収集ピンホール／スリットを有することに対応する。

【0068】

測定は、本明細書で説明される例を含む、光散乱計測信号、反射光測定信号または楕円偏光法信号等の任意の適切な放射信号を含み得る。取得される信号のタイプは、注目すべき構造（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）に対する信号感度に基づいて選択されてよい。例えば、特定の波長と特定の偏光状態は、ある特定の構造寸法または異なる表面粗さまたは成膜された層に対してより感度が高い可能性がある。注目すべき構造は、ＴＳＶ、バンプ、多層構造／スタック等の任意の３Ｄ構造を含み得る。

【0069】

操作６０２および６０４は、その間で相対高さが判定される表面のペアを得るために、少なくとももう１つの表面に対して繰り返される。例えば、一方の表面が基板の形式であるのに対し、他方の表面はＴＳＶ構造の頂面であってよい。２以上の表面に関する信号が取得された後で、収集された信号は次に操作６０６で、試料の２つの表面間の高さの差を判定するために比較されてもよい。特定の注目すべき表面それぞれに関して２つのみの信号が収集された場合、次にその信号は単純に減算されて差分信号を得るか、または除算されて信号比率を得ることができ、その結果は次に、そのような微分信号を高さに関連付ける関数に入力される。各表面に対して３以上の検出器によって収集された２つより多い信号がある場合、任意の数の技法が用いられてもよい。例えば、関数は、３以上の信号を高さに関連付けるために生成されてもよい。別のより単純な使用の場合には、雑音を抑制する、または測定精度を高めるために、付加的な測定が、余分な測定として用いられてもよい。

【0070】

検出された信号を処理するための別のアルゴリズムは、３以上の信号を組み合わせて、差または比率信号等の単一の差信号を得ることを含み得る。例えば、一対の信号に対応する最も高い信号差または比率は次に、任意選択的に選択され分析されて高さを判定してもよい。別の例では、差／比率信号は、平均差または比率値等の単一の差／比率値に約分されてもよい。つまり、信号プロセスへの不利益は最小にして、雑音が、余分に測定された信号から減少されるような方式で平均差／比率信号を得るために、異なる検出器ペアに対する差／比率信号の平均が決定され得る。

【0071】

高さが判定されると、操作６０８で、そのような高さが仕様範囲内かが判断されて報告されてもよい。高さの仕様は、例えば平均差と比較した任意の適切な高さ閾値またはパーセンテージに基づいて定義されてよい。例えば、所定範囲内の高さの値が「良」の品質表示となってもよく、または、所定範囲外の高さの値が「不良」品質表示として報告されてもよい。次にこの手順は終了しても、または、複数のターゲットに対して繰り返されてもよい。

【0072】

本発明のいくつかのモデルレス実施形態は、既知の品質構造（例えば、既知の不良および良好な高さ範囲、および異なる焦点値に対する対応する強度値）のトレーニング技法によって拡張されてもよい。ニューラルネットワーク等の機械学習方法に基づくアルゴリズムが、測定信号を、既知の構造のトレーニングセットに基づいて、ＴＳＶ構造または銅ピラー高さ等の試験構造の予めプログラムされた変動に関連付けるために用いられてもよい。すなわち、検出された信号をフィーチャまたはプロセス変動に関連付けるためのモデルを決定するために信号を得るために、予め定められたまたは既知の変動を伴うトレーニングセットが測定され得る。機械学習操作が完了した後で、そのようなモデルを用いて、既知の特徴を有する注目すべき構造から得られた信号からフィーチャおよびプロセス関連パラメータが抽出され得る。

【0073】

さらなる実施形態において、特定のプロセスパラメータには変動があり得る。例えば、銅ピラー構造の電気めっき条件またはＴＳＶ構造の製造に関するエッチング条件は、ＤＯＥ（実験計画法、ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）トレーニングセットを作成するための別の方法として用いられてもよく、例えば、異なるウェハが、異なるめっきまたはエッチング条件で処理される。

【0074】

ＤＯＥトレーニングセットが作成された後で、異なるプロセス条件を用いて製作されたターゲットは、複数の測定サイトからの２以上の異なる焦点位置における単一の測定サイトからの特定の信号タイプ等の信号を得るために測定されてもよく、それは次にトレーニングアルゴリズムの一部として処理される。トレーニングセットの高さパラメータを決定するために、トレーニングセットからのこれらのターゲットは、例えば断面ＴＥＭ等の破壊計測であり得る、または、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）またはＣＤ−ＳＥＭによる非破壊計測であり得る基準計測によって特性評価されてもよい。既知のフィーチャパラメータは、特定の計測値というより、単純に不良または良好な品質の標示を含んでよい。

【0075】

上記に説明した技法のうち任意の技法を実施するために、ハードウェアおよび／またはソフトウェアの任意の適切な組み合わせが用いられてもよい。一般例では、計測ツールは、ターゲットを照射する照射モジュールと、照射システムの、ターゲット、デバイスまたはフィーチャとの相互作用（または相互作用の欠如）によって提供された関連情報を捕捉する収集モジュールと、１以上のアルゴリズムを用いて、収集された情報を解析する処理システムを備えてよい。計測ツールは、種々の半導体製造プロセスに関係する構造および材料特性（例えば、材料組成、膜厚および／または構造のクリティカルディメンション、オーバーレイ等の構造および膜の寸法特性）に関する種々の放射信号を測定するために一般的に用いられ得る。これらの測定は、プロセス制御を助長するためおよび／または半導体ダイの製造における効率をもたらすために用いられ得る。

【0076】

計測ツールは、上記に説明した本発明の特定の実施形態と併用されてもよい１以上のハードウェア構成を備えてよい。そのようなハードウェア構成の例は、限定はしないが、ビームプロファイル反射率計（角度分解反射率計）、広帯域反射分光計（分光反射率計）、単波長反射率計、角度分解反射率計、イメージングシステムおよび散乱計（例えば、スペックルアナライザー）を含む。

【0077】

ハードウェア構成は、個別のオペレーショナルシステムに分離され得る。一方で、１以上のハードウェア構成は単一のツールに統合され得る。複数のハードウェア構成の単一のツールへのそのような統合の一例は、あらゆる目的でその全体を参照により本明細書に組み込む、米国特許第７，９３３，０２６号にさらに図示され説明されている。システムは、特定のレンズ、コリメータ、ミラー、四分の一波長板、偏光子、検出器、カメラ、開口および／または光源を含み得る。光学システムの波長は約１２０ｎｍから３ミクロンまで変動があり得る。収集された信号は偏光分解されても、無偏光でもよい。

【0078】

システムは、同じツールに一体化された複数の計測ヘッドを含み得る。しかしながら、多くの場合、試料上の単一のエリアまたは複数のエリアの測定のために、複数の計測ツールが用いられる。複数のツール計測のいくつかの実施形態はさらに、例えば、あらゆる目的でその全体を参照により本明細書に組み込む、Ｚａｎｇｏｏｉｅらによる、「Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｔｏｏｌ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ」というタイトルの米国特許第７，４７８，０１９号にさらに説明されている。

【0079】

特定のハードウェア構成の照射システムは、１以上の光源を含み得る。すると、１以上の検出器または分光計は、収集光学素子を介して、試験片の表面から反射または散乱された照射を受け取るように構成される。適切なセンサは、電荷結合素子（ＣＣＤ）、ＣＣＤアレイ、時間遅延積分（ＴＤＩ）センサ、ＴＤＩセンサアレイ、光電子増倍管（ＰＭＴ）およびその他のセンサを含む。測定されたスペクトルまたは検出された信号データ（位置、波長、偏光、方位角等の関数としての）は、解析のため、各検出器からプロセッサシステム（例えば、図１Ａの１５０）に伝えられてもよい。

【0080】

本開示を通して説明された種々のステップは、単一のプロセッサシステムによって実行されても、また代替的に、複数のプロセッサシステムによって実行されてもよいことを認識すべきである。さらに、上記に説明した光源および／または検出器システムの実施形態等のシステムの異なるサブシステムは、システム状態を制御する、信号を前処理する、または、本明細書で説明されるステップの少なくとも一部を実行するのに適したコンピュータシステムを含み得る。したがって、上記の説明は、本発明への限定としてではなく、単に例証として解釈されるべきである。さらに、１以上のプロセッサシステムは、本明細書で説明される方法の実施形態のうち任意の方法の任意の他のステップ（複数の場合あり）を実行するように構成されてもよい。

【0081】

さらに、プロセッサシステムは、当技術分野で公知の任意の方式で検出器システムに通信可能に結合されてもよい。例えば、１以上のプロセッサシステムは、検出器システムに関係するコンピューティングシステムに結合されてもよい。別の例では、検出器システムは、プロセッサシステムに結合された単一のコンピュータシステムによって直接制御されてもよい。

【0082】

プロセッサシステムは、他のシステムから、ワイヤラインおよび／またはワイヤレス部分を含み得る伝送媒体によって、データまたは情報（例えば、測定信号、差信号、統計結果、基準または校正データ、トレーニングデータ、モデル、抽出された特徴または変換結果、変換されたデータセット、曲線当てはめ、定性的および定量的結果等）を受信および／または取得するように構成されてもよい。このように、伝送媒体は、プロセッサシステムと他システム（例えば、外部メモリ、基準測定源またはその他の外部システム）の間のデータリンクとして働き得る。例えば、プロセッサシステムは、データリンクを介して記憶媒体（例えば、内部または外部メモリ）から測定データを受け取るように構成されてもよい。例えば、検出システムを用いて得られた結果は、永久または半永久メモリデバイス（例えば、内部または外部メモリ）に記憶されてもよい。これに関連して、スペクトル結果は、オンボードメモリから、または外部メモリシステムからインポートされてもよい。さらに、プロセッサシステムは、伝送媒体を介して他システムにデータを送信してもよい。例えば、プロセッサシステムによって決定された定性的および／または定量的結果は、外部メモリに通信されてそこに記憶されてもよい。この意味で、測定結果は別のシステムにエクスポートされてもよい。

【0083】

プロセッサシステムは、限定はしないが、ＧＰＵボード、ＦＰＧＡ、プログラマブルロジックアレイ、パーソナルコンピュータシステム、メインフレームコンピュータシステム、ワークステーション、イメージコンピュータまたは当技術分野で公知の任意の他のデバイスを含み得る。一般に、「プロセッサシステム」という用語は、メモリ媒体からの命令を実行する１以上のプロセッサを有する任意のデバイスを包含するように広範に定義されてよい。本明細書で説明されるような方法を実行するプログラム命令は、ワイヤ、ケーブルまたはワイヤレス伝送リンク等の伝送媒体を介して伝送されてもよい。プログラム命令は、コンピュータ可読媒体（例えばメモリ）に記憶されてもよい。例示的コンピュータ可読媒体は、リードオンリーメモリ、フラッシュメモリ、ランダムアクセスメモリ、または磁気もしくは光ディスクを含む。

【0084】

計測ツールは、半導体製造に関連する測定の多くの異なるタイプを製作するために設計されてよい。定性的および／または定量的高さ値を判定するための本発明のいくつかの実施形態は、そのような測定を利用してもよい。特定のターゲット特性を判定するための付加的な計測技法が、上記に説明した高さ判定技法と組み合わされてもよい。例えば、特定の実施形態では、ツールはさらに、信号を測定して、質および欠陥量値、クリティカルディメンション、オーバーレイ、膜厚、プロセス関連パラメータ（例えば、めっき条件）等の、１以上のターゲットのその他の特性を判定してよい。ターゲットは、例えば、チップ間の相互接続用の銅ピラー等の特定の注目すべき領域を含み得る。ターゲットは、フォトレジストまたはパッシベーション層等の複数の層（または膜）を含み得る。

【0085】

収集されたデータは、ニューラルネットワーク、サポートベクターマシン（ＳＶＭ）等の機械学習アルゴリズム、例えばＰＣＡ（主成分分析）、ＩＣＡ（独立成分解析）、ＬＬＥ（局所的線形埋め込み）等の次元削減アルゴリズム、カルマンフィルタ、同じまたは異なるツールタイプからのマッチングを促進するアルゴリズムおよびその他を含むいくつかのデータ当てはめおよび最適化技法および技術によって解析され得る。

【0086】

計算アルゴリズムは通常、データ処理速度および精度に関して最適化されており、コンピュータのハードウェア、並列化等の設計および実装等の１以上の手法が用いられている。アルゴリズムの異なる実装は、ファームウェア、ソフトウェア、ＦＰＧＡ、プログラマブルロジックアレイ等で行われ得る。

【0087】

データ解析は、以下の目的：高さの測定値、質、欠陥数、ＣＤ、組成、膜、プロセスパラメータの生成（例えば、めっきまたはエッチング設定）および／またはそれらの任意の組み合わせ、のうち１つを追求するために用いられてよい。

【0088】

ここで提示される本発明のいくつかの実施形態は一般に、半導体プロセスおよび品質管理の分野を対象とし、ハードウェア、ソフトウェア／アルゴリズム実装およびアーキテクチャ、ならびに上記に要約した使用ケースに限定されない。

【0089】

前述の発明を、明瞭さと理解のためにいくつかの詳細において説明してきたが、添付の請求項の範囲内でいくつかの変更および修正が実行されてもよいことは明らかであろう。本発明のプロセス、システムおよび装置を実装する多くの代替的方式が存在することに留意すべきである。したがって、本発明は例示的であって限定的ではないと見なされるべきであり、本発明は本明細書に記載された詳細に限定されない。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6】