本發(fā)明的實施方式在X射線反射散射測量(XRS)的領域內(nèi)，并且具體地，是使用多角度XRS測量周期結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

由于集成電路(IC)特征不斷縮小到越來越小的尺寸，用于測量這種特征的計量上的約束成為壓倒性的。例如，伴隨每個新一代IC技術(shù)，臨界尺寸掃描電子顯微鏡(CD-SEM)計量的幾個缺點變得更加顯著。缺點可以包括：(1)已公知的充電問題，限制IC計量應用可到達的分辨率，(2)輻射損傷引起的抵抗的尺寸收縮，(3)與一些低k電介質(zhì)的不相容，以及(4)CD-SEM實質(zhì)上是表面技術(shù)，使得難以測量三維(3D)分布。

類似地，光學臨界尺寸(OCD)計量面臨若干基礎困難，包括：(1)使用的相對長的波長通常顯著大于器件特征尺寸，并因此不能提供簡單和直接的測量，以及(2)OCD需要大量的建模和內(nèi)插，因此使測量靈敏度妥協(xié)。此外，在上個十年中，通過減小電路特征尺寸，使用越來越短的波長已成為必需。當前大多數(shù)先進的OCD系統(tǒng)使用深紫外(DUV)波長。由于更短波長輻射在固體中或者即使在低真空中的極低透射，進一步增加的波長減少是不實際的。許多的問題會因此出現(xiàn)，包括低探測深度、缺乏合適的光學器件以及嚴格的真空要求。這種基礎限制使得實際上不可能擴展這些現(xiàn)有技術(shù)來滿足下一代IC制備的臨界尺寸控制要求。

掠入射小角度散射(GISAS)是用于研究納米結(jié)構(gòu)的表面和薄膜的散射技術(shù)。散射的探頭是光子(掠入射小角度X射線散射，GISAXS)或者中子(掠入射小角度中子散射，GISANS)兩者之一。在兩者之中任一情況下，入射束在接近總外部X射線反射的臨界角的小角度下?lián)糁袠颖?。強反射束以及在入射平面上的強散射通過棒形束闌(beam stop)衰減。來自樣本的漫散射通常利用面檢測器記錄。然而，由于在GISAS技術(shù)中使用的入射角通常低于幾度，并且甚至小至幾分之一度。因此，當用于測量3D結(jié)構(gòu)時，由于入射束方向大多僅沿著這種3D結(jié)構(gòu)的上表面，通過GISAS獲得的信息會受到限制。

因此，在3D結(jié)構(gòu)的計量中需要改進。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施方式涉及使用多角度X射線反射散射測量(XRS)用于測量周期結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)。

在實施方式中，通過X射線反射散射測量用于測量樣本的方法包括：使入射X射線束撞擊具有周期結(jié)構(gòu)的樣本以生成散射X射線束，入射X射線束同時提供多個入射角和多個方位角。該方法還包括收集散射X射線束中的至少部分。

在另一個實施方式中，通過X射線反射散射測量用于測量樣本的系統(tǒng)包括用于生成具有近似1keV或更低能量的X射線束的X射線源。系統(tǒng)還包括用于定位具有周期結(jié)構(gòu)的樣本的樣本架。系統(tǒng)還包括放置在X射線源與樣本架之間的單色器，單色器用于聚焦X射線束以將入射X射線束提供至樣本架，入射X射線束同時具有多個入射角和多個方位角。系統(tǒng)還包括用于收集來自樣本的散射X射線束中的至少部分的檢測器。

附圖說明

圖1示出經(jīng)使用具有單個入射角的入射束的常規(guī)散射測量的周期結(jié)構(gòu)的截面圖。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式，經(jīng)使用具有多個入射角的入射束的散射測量的周期結(jié)構(gòu)的截面圖。

圖3示出經(jīng)使用具有單個方位角的入射束的常規(guī)散射測量的周期結(jié)構(gòu)的俯視圖。

圖4A示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式，經(jīng)使用具有多個方位角的入射束的散射測量的周期結(jié)構(gòu)的俯視圖，其中中心軸具有零方位角。

圖4B示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式，經(jīng)使用具有多個方位角的入射束的散射測量的周期結(jié)構(gòu)的俯視圖，其中中心軸具有非零方位角。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式，適合于低能量X射線反射散射測量的示例性翼片式FET器件的方面。

圖6包括根據(jù)本發(fā)明的實施方式，具有10nm/20nm線/間隔比的周期結(jié)構(gòu)的硅(Si)翼片的第0階反射率對比散射角的繪圖和相應的結(jié)構(gòu)。

圖7包括根據(jù)本發(fā)明的實施方式，具有10nm/20nm線/間隔比的周期結(jié)構(gòu)的硅(Si)翼片的第1階反射率對比散射角的繪圖和相應的結(jié)構(gòu)。

圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式，具有X射線反射散射測量(XRS)能力的周期結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)的示圖。

圖9示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的示例性計算機系統(tǒng)的框圖。

具體實施方式

描述了使用多角度X射線反射散射測量(XRS)用于測量周期結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)。在以下描述中，闡述了許多的具體細節(jié)，諸如X射線束參數(shù)和能量，以便提供對本發(fā)明的實施方式的詳盡理解。對于本領域內(nèi)的普通技術(shù)人員將很明顯，本發(fā)明的實施方式無需這些具體細節(jié)而可以實踐。在其他實例中，沒有詳細描述眾所周知的特征諸如整個半導體器件堆，以便不會不必要地模糊本發(fā)明的實施方式。此外，應當理解，圖中示出的各種實施方式是說明性的表示，并且沒有必要按比例繪制。

本文中描述的一個或多個實施方式指向使用以如下方式配置的X射線源：利用同時的多個入射束角度入射到周期(格柵)結(jié)構(gòu)上，用于X射線反射散射測量。實施方式可以使能夠在兩個角度方向上檢測散射光，并且使用反射的X射線強度推斷周期結(jié)構(gòu)的形狀和間距。實施方式可以提供在生產(chǎn)制造半導體環(huán)境下復雜的二維(2D)和三維(3D)周期結(jié)構(gòu)的形狀和大小的合適的精度與穩(wěn)定性測量。這種測量可以包括周期結(jié)構(gòu)的形狀分布，以及周期結(jié)構(gòu)的尺寸諸如寬度、高度還有側(cè)壁角度。

為提供上下文，最新水平的形狀計量方案利用具有波長標稱大于150納米的單波長源或者頻譜源兩者之一的光學技術(shù)。頻譜方案通常是固定波長，并且單波長源可以使入射角度變化。這種方案是在λ>d的波長/能量狀態(tài)下，其中λ是入射光源，并且d是周期結(jié)構(gòu)的基礎尺寸。然而，光學散射測量接近其基礎靈敏度限制。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，通過使用λ/d<1的波長的光，更高階的散射階可用于檢測，并且對于參數(shù)d提供直接靈敏度。更具體地，通過使用波長小于被測量的結(jié)構(gòu)的寬度和高度的光，多個周期的干涉條紋可用，并且對于高度、寬度以及線形狀提供靈敏度。在實施方式中，通過使用多個入射角還有多個方位角(例如，相對于結(jié)構(gòu)對稱的方向)，獲得三維信息，提供三維形狀靈敏度。獲得的關于尺寸的信息能夠精密地影響器件性能，并且需要將該尺寸的信息控制到非常嚴格的容差。

為了幫助本構(gòu)想文中涉及的概念，圖1示出經(jīng)使用具有單個入射角的入射束的常規(guī)散射測量的周期結(jié)構(gòu)的截面圖。參考圖1，周期結(jié)構(gòu)100(也稱為格柵結(jié)構(gòu))經(jīng)光束102照射。光束102相對于周期結(jié)構(gòu)100的最外表面的水平面104具有入射角Φ_i。散射束106從格柵結(jié)構(gòu)100生成。散射束106可以包括散射角不同的束，每一個束提供格柵結(jié)構(gòu)100的不同階的信息。例如，如圖1所示，示出三階n＝1、n＝0、n＝-1，其中n＝-1階的散射角相對于周期結(jié)構(gòu)100的最外表面的水平面104具有θ角度。圖1的設置示出常規(guī)的OCD或者GISAS散射測量辦法。

應當理解，貫穿全文使用的術(shù)語“周期”或者“格柵”結(jié)構(gòu)指非平面結(jié)構(gòu)，并且在一些上下文中可以全部視為三維結(jié)構(gòu)。例如，再次參考圖1，周期結(jié)構(gòu)100具有在z方向突出高度h的特征108。每一個特征108也具有沿x軸的寬度w和沿y軸(即進入紙內(nèi))的長度。然而，在一些上下文中，保留術(shù)語“三維”以描述具有與寬度w相同量級的沿y軸的長度的周期結(jié)構(gòu)或者格柵結(jié)構(gòu)。在這種上下文中，保留術(shù)語“二維”以描述具有比寬度w長得多(例如，長過幾個量級)的沿y軸的長度的周期結(jié)構(gòu)或者格柵結(jié)構(gòu)。在任何情況下，周期結(jié)構(gòu)或者格柵結(jié)構(gòu)是在測量的區(qū)域(例如半導體晶片或者基板)內(nèi)具有非平面形貌的結(jié)構(gòu)。

與圖1相比較，圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式，經(jīng)使用具有多個入射角的入射束的散射測量的周期結(jié)構(gòu)的截面圖。參考圖2，周期結(jié)構(gòu)100經(jīng)錐形X射線束202照射。錐形X射線束202的中心軸203相對于周期結(jié)構(gòu)100的最外表面的水平面104具有入射角Φi。因而，錐形X射線束202包括具有入射角Φi的部分A。錐形束202具有在錐形束202的最外層部分B和最外層C之間所取的會聚角Φcone。由于錐形束202具有會聚角Φcone，錐形束202中靠近錐體的外部的部分與錐形束202中沿中心軸202取向的部分相比，在結(jié)構(gòu)100上具有不同的入射角。因此，當相對于水平面104所取時，錐形束202同時提供撞擊結(jié)構(gòu)100的多個入射角。散射束206從格柵結(jié)構(gòu)100生成。散射束206可以包括可歸屬于格柵結(jié)構(gòu)100的不同階的信息的部分，其實例在下方更詳細地描述。

除了具有入射角之外，入射光束還可以相對于周期結(jié)構(gòu)具有方位角。再次用于概念的目的，圖3示出經(jīng)使用具有單個方位角的入射束的常規(guī)散射測量的周期結(jié)構(gòu)的俯視圖。參考圖3，從突出部108之上示出周期結(jié)構(gòu)100。盡管在圖1中不可視，入射光束102可以進一步相對于與周期結(jié)構(gòu)100的突起108正交的方向x，具有方位角θg。如圖3中所示，在一些情況下θg是非零的。在θg是零的情況下，相對于俯視圖，束102的方向沿著x方向。然而，在應用常規(guī)OCD或者GISAS散射測量辦法的情況下，束102僅具有一個角度θg。因此，結(jié)合圖1和圖3一起，通常使用具有單個入射角Φi和單個方位角θg的光束執(zhí)行散射測量。

與圖3相比較，圖4A和圖4B示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式，經(jīng)使用具有多個方位角的入射束的散射測量的周期結(jié)構(gòu)的俯視圖。參考圖4A和圖4B兩者，如與圖2相關聯(lián)所描述，周期結(jié)構(gòu)100經(jīng)具有中心軸203的錐形X射線束202照射。盡管從圖2中不可視，但是錐形X射線束202還具有沿y方向的維度。就是說，在錐形束202的最外層部分B和最外層部分C之間所取的會聚角Φcone，還提供沿y方向的多個入射角，例如以提供入射的非零方位角。

僅參考圖4A，相對于俯視圖，錐形X射線束202的中心軸具有沿x方向的零角度θg。因而，錐形X射線束202的部分A具有零方位角。然而，即使錐形X射線束202的中心軸203與周期結(jié)構(gòu)100正交，錐形X射線束202的部分B和部分C都具有非零方位角。

僅參考圖4B，相對于俯視圖，錐形X射線束202的中心軸具有沿x方向的非零角度θg。因而，錐形X射線束202的部分A具有非零方位角。另外，錐形X射線束202的部分B和部分C具有不同于束202的部分A的方位角的非零方位角。

在圖4A和圖4B中示出的兩者情況下，由于錐形束202具有會聚角Φcone，錐形束202中靠近錐體的外部的部分與錐形束202中沿中心軸202取向的部分相比，入射到結(jié)構(gòu)100上具有不同的方位角。因此，當相對于x方向所取時，錐形束202同時提供多個方位角撞擊結(jié)構(gòu)100。

因此，將圖2與圖4A或圖4B中的之一結(jié)合到一起，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，通過X射線反射散射測量以測量樣本的方法包括使入射X射線束撞擊具有周期結(jié)構(gòu)的樣本。當入射到周期結(jié)構(gòu)上時，X射線束具有錐形以同時提供多個入射角Φi和多個方位角θg。撞擊生成散射X射線束，其中的一部分(如果不是所有)可以收集以便查明有關周期結(jié)構(gòu)的信息。

在實施方式中，入射X射線束是具有近似在20-40度范圍內(nèi)的會聚角Φcone的會聚X射線束。在一個這種實施方式中，如與圖4A相關聯(lián)所描述，會聚X射線束的中心軸相對于樣本具有固定的非零入射角Φi和零方位角θg。在另一個這種實施方式中，如與圖4B相關聯(lián)所描述，會聚X射線束的中心軸相對于樣本具有固定的非零入射角Φi和非零方位角θg。在兩者之中任一情況下，在具體實施方式中，會聚X射線束的中心軸與水平面具有近似在10-15度范圍內(nèi)的固定的非零入射角。在另一個具體實施方式中，束的錐形的最外層部分并且最接近周期結(jié)構(gòu)的部分(例如，如圖2所示部分C)，相對于周期結(jié)構(gòu)的水平面具有近似5度的角度。

在其他實施方式中，其實例在下方更詳細地描述，優(yōu)選地可以使用更窄的錐形。例如，在實施方式中，入射X射線束是具有近似在2-10度范圍內(nèi)的會聚角的會聚X射線束。在一個這種實施方式中，如與圖4A相關聯(lián)所描述，會聚X射線束的中心軸相對于樣本具有固定的非零入射角Φi和零方位角θg。在另一個這種實施方式中，如與圖4B相關聯(lián)所描述，會聚X射線束的中心軸相對于樣本具有固定的非零入射角Φi和非零方位角θg。

在實施方式中，低能量X射線束撞擊周期結(jié)構(gòu)。例如，在一個這種實施方式中，低能量X射線束具有近似1keV或更低能量。使用這種低能量源可以允許更大的入射角與更小的可實現(xiàn)的束斑大小。在一個實施方式中，低能量X射線束是從源諸如但不限于碳(C)、鉬(Mo)或者銠(Rh)生成的Kα束。

在實施方式中，在撞擊周期結(jié)構(gòu)之前，使用環(huán)形多層單色器聚焦低能量X射線束。在一個這種實施方式中，單色器提供在近似+/-30度范圍內(nèi)的入射角和在近似+/-10度范圍內(nèi)的方位角。在具體的這種實施方式中，環(huán)形多層單色器提供在近似+/-20度范圍內(nèi)的入射角。應當理解，本文中描述的錐形X射線束可以不或者不需要校準。例如，在一個實施方式中，在上述單色器處聚焦束與使聚焦的束撞擊周期樣本之間，束沒有經(jīng)過校準。在一個實施方式中，聚焦的低能量X射線束以小于在零度的標稱第一階角的角度的入射角范圍撞擊樣本。

再次參考圖2，在實施方式中，使用檢測器250收集散射X射線束206中的至少部分。在一個這種實施方式中，二維檢測器用于同時對從多個入射角和多個方位角散射的散射X射線束206中的部分的散射信號強度進行采樣。然后收集的信號可以經(jīng)過散射測量分析，例如，其中散射數(shù)據(jù)的反演與理論進行比較以確定周期結(jié)構(gòu)100的結(jié)構(gòu)細節(jié)。在一個這種實施方式中，通過散射解(scattering solution)相對于采樣的散射信號強度的反演(例如，通過對周期結(jié)構(gòu)上的Maxwell方程的精確解)，估計樣本的周期結(jié)構(gòu)的形狀。在實施方式中，撞擊樣本的X射線束的波長小于周期結(jié)構(gòu)100的周期。因此，探測波長與基礎結(jié)構(gòu)尺寸相當或者小于基礎結(jié)構(gòu)尺寸，與OCD散射測量相比，從散射束206提供更豐富的數(shù)據(jù)集。

如上所述，在實施方式中，用于XRS的入射錐形X射線束是具有近似在20-40度范圍內(nèi)的會聚角Φcone的會聚X射線束。這種相對寬的錐角可以生成除了零階反射數(shù)據(jù)之外，還包括更高階衍射數(shù)據(jù)的散射束。因此，在一個實施方式中，伴隨單個撞擊操作同時獲得零階信息和更高階信息兩者。

在其他情形下，可期望將零階反射數(shù)據(jù)與更高階衍射數(shù)據(jù)分離。在一個這種實施方式中，可以使用相對更窄的錐角，例如，入射X射線束是具有近似在2-10度范圍內(nèi)的會聚角的會聚X射線束?？梢允褂孟鄬Ω腻F角執(zhí)行超過一個的單個測量。例如，在一個實施方式中，如與圖4A相關聯(lián)所描述，在會聚束的中心軸具有零方位角的情況下作第一測量。然后如與圖4B相關聯(lián)所描述，在會聚束的中心軸具有非零方位角的情況下作第二測量。在具體實施方式中，以順序的方式，對具有周期結(jié)構(gòu)的樣本執(zhí)行第一測量以收集第0階數(shù)據(jù)而不是第1階衍射數(shù)據(jù)。對具有周期結(jié)構(gòu)的樣本執(zhí)行第二測量以收集第1階數(shù)據(jù)而不是第0階衍射數(shù)據(jù)。以這種方式，在生成散射束的時候，可以將0階數(shù)據(jù)與更高階數(shù)據(jù)分離。

根據(jù)本文中描述的實施方式，再次關于同時的辦法和順序的辦法兩者，X射線反射散射測量用于通過非零方位角在陣列檢測器上分離不同的階。在許多情況下，越高階越有用。在一種情況下，通過同時干凈地獲得所有階，可以增強吞吐量。然而，也可以使用順序的辦法。此外，極聚焦的束用于在各種入射角而不是在單個入射角下探測。在一個實施方式中，由于對于校準束，伴隨連續(xù)取得數(shù)據(jù)樣本將需要旋轉(zhuǎn)，因此不對束進行校準。通過捕獲更高階，不需要使用非常小的入射角以獲得強反射束。通過對比，在實施方式中，例如，即使在鏡面(0階)反射束相對弱但是例如-1階非常強的情況下，可以使用10度到15度的入射角。

在上述同時收集還是順序收集的兩者之中任一情況下，本文中描述的實施方式可用于從零階(鏡面)反射和從衍射(更高)階兩者獲取數(shù)據(jù)。常規(guī)解法強調(diào)使用零階或者衍射(更高)階兩者之一而不是兩者。本文中描述的實施方式可以進一步與之前公開的散射測量辦法區(qū)分開，其一對實例在下方描述。

在先前描述的第一辦法中，Yun等的美國專利7920676描述了CD-GISAXS系統(tǒng)和方法。所描述的辦法包括分析從校準束生成的散射X射線的衍射圖案，并且分析多階衍射光。因為衍射階間隔很遠，更低的能量用于提供更高的會聚束。然而，階依然間隔相當接近并且描述的會聚角是微弧度的。此外，對于大量入射角沒有收集衍射。

通過對比，根據(jù)本文中描述的一個或多個實施方式，在單個束中使用寬范圍的入射角。在本辦法中，衍射階(除零階以外)實際上沒有必要獲取來使用。然而，+/-1階對于格柵特性(具體地是間距)可以具有不同的靈敏度，因此在一個實施方式中，當可能時捕獲至少一個額外的階。即使如此，大多數(shù)信息是以信號隨入射角變化的方式來包含。通過對比，在美國專利7920676中，實質(zhì)上使用一個入射角并且通過查找多個衍射階收集信息。

此外，根據(jù)本文中描述的一個或多個實施方式，通過將第一階束移動到第零階束側(cè)，可以將第一階束與第零階束分離。在一個這種實施方式中，以非零方位角接近周期結(jié)構(gòu)或者格柵結(jié)構(gòu)。以這種方式，可以使用高度會聚束而依然實現(xiàn)階分離。在示例性實施方式中，通過以45°方位角(對于會聚束的中心軸)接近格柵，將+/-1階衍射束偏轉(zhuǎn)最小10度到第零階束側(cè)，并且當入射角增加時偏轉(zhuǎn)甚至更多。在這種情況下，可以使用高達近似10度的會聚束而避免數(shù)據(jù)重疊。應當理解，根據(jù)具體的格柵間距和X射線能量，可使得階之間的分離更大或者更小?？傊?，在實施方式中，與發(fā)射單個校準束相比，通過同時收集多個入射角和方位角，獲得更多有用的信息。

在先前描述的第二個辦法中，Mazor等的美國專利6556652描述了使用X射線的臨界尺寸的測量。所描述的辦法實際上根本不基于X射線束的衍射。而是在校準束中建立的“影子”。影子反射圖案(例如線性格柵結(jié)構(gòu))。影子的對比機制是格柵間隙的底部的Si區(qū)域之間反射X射線的臨界角與當穿過第一通過脊材料(光致抗蝕劑)時的臨界角中的差異。通過對比，根據(jù)本文中描述的實施方式，大多數(shù)信息來自遠大于臨界角的角度的信號。

如以上簡要提到并且在下方舉例說明，當應用到二維和三維周期結(jié)構(gòu)或者格柵結(jié)構(gòu)時，X射線反射散射測量(XRS)可以視為一種X射線反射法(XRR)。傳統(tǒng)的XRR測量包括使用單個源X射線在角度范圍內(nèi)探測樣本。伴隨角度的各種光學路徑長度差提供可以識別的干涉條紋，以搜集膜性能信息諸如膜厚度和膜密度。然而，在XRR中，在更高源能量與物質(zhì)相互作用的X射線的物理，將角度范圍限制為相對于樣本水平面通常小于近似三度的掠入射。因此，XRR具有受限制的產(chǎn)出/內(nèi)聯(lián)可行性。通過對比，根據(jù)本文中描述的實施方式，由于隨能量改變光學膜特性得到信號靈敏度的更大的角度，應用低能量XRR/XRS使能夠使用更大的角度。

在低能量XRS的示例性應用中，可以測量和分析基礎半導體晶體管構(gòu)建塊。例如，半導體器件的臨界尺寸(CD)指對器件性能或者其制造產(chǎn)量具有直接影響的特征。因此，必須制造或者控制CD為嚴格的規(guī)格。更常規(guī)的CD的實例包括柵長、柵寬、互聯(lián)線寬、線距以及線寬粗糙度(LWR)。半導體器件對這種尺寸是非常敏感的，小的變化可能導致對性能、器件故障或者制造產(chǎn)量的顯著影響。隨著半導體器件的集成電路(IC)特征尺寸繼續(xù)收縮，制造商面臨越來越小的處理窗口和越來越嚴格的容差。這大大提高了對于CD計量工具的精確度和靈敏度要求，以及在制造周期早期對于非破壞性測量采樣的需求，其中采樣對制造廠或者制造設施的半導體器件的產(chǎn)量具有最小影響。

非平面半導體器件制備甚至更復雜的問題。例如，在隆起的通道上制備的具有非平面形貌的半導體器件通常稱為翼片，進一步包括翼片尺寸作為必須考慮的額外CD。這種翼片式場效應晶體管(翼片式FET)或者多柵極器件具有高深寬比特征，并且關鍵的是需要關于器件結(jié)構(gòu)的翼片的三維(3D)分布信息，包括側(cè)壁角度和頂部尺寸以及底部尺寸。因此，能夠測量3D分布能提供比常規(guī)二維線寬和線距CD信息有價值得多的信息。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式，適合于低能量X射線反射散射測量的示例性翼片式FET器件的方面。參考圖5，結(jié)構(gòu)A示出其上布置有柵電極堆504的半導體翼片502的成角度的截面圖。半導體翼片502從基板506突出，基板506由淺溝槽隔離(STI)區(qū)域508隔離。柵電極堆504包括柵極介電層510和柵電極512。結(jié)構(gòu)B示出從STI區(qū)域524之間的基板522突出的半導體翼片520的截面圖。通過XRS測量可以提供重要信息的結(jié)構(gòu)B的方面，包括翼片拐角圓化(CR)、翼片側(cè)壁角度(SWA)、翼片高度(H)、翼片凹口(NOTCH)以及STI厚度(T)，全部繪制在圖5的結(jié)構(gòu)B中。結(jié)構(gòu)C示出從STI區(qū)域534之間的基板532突出，并且其上具有多層膜堆層536的半導體翼片530的截面圖。多層膜堆層536的層可以包括材料層，諸如但不限于碳化鈦鋁(TiAlC)、氮化鉭(TaN)或者氮化鈦(TiN)。比較結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C，可以在裸露的翼片諸如裸露的硅翼片(結(jié)構(gòu)B)上或者在其上布置有不同材料層的翼片上，執(zhí)行XRS測量。

圖6包括根據(jù)本發(fā)明的實施方式，具有10nm/20nm線/間隔比的周期結(jié)構(gòu)的硅(Si)翼片的第0階反射率對比散射角的繪圖600和相應的結(jié)構(gòu)(A)-(E)。參考圖6，低能量XRS測量可以用于區(qū)分標稱翼片結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)A)、翼片高度增加的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)B)、翼片寬度減少的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)C)、翼片底部CD比翼片頂部CD更寬的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)D)以及翼片底部CD比翼片頂部CD更窄的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)E)。在該示例性情況下，利用與周期結(jié)構(gòu)呈45度的第0階錐形衍射分析硅翼片。應當理解，與光學數(shù)據(jù)相比，利用短波長結(jié)果下的繪圖600中所見的數(shù)據(jù)中的條紋，實現(xiàn)減小的最高信號的區(qū)域。

圖7包括根據(jù)本發(fā)明的實施方式，具有10nm/20nm線/間隔比的周期結(jié)構(gòu)的硅(Si)翼片的第1階反射率對比散射角的繪圖600和相應的結(jié)構(gòu)(A)-(E)。參考圖7，低能量XRS測量可以用于區(qū)分標稱翼片結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)A)、增加了翼片高度的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)B)、減少了翼片寬度的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)C)、翼片底部CD相比翼片頂部CD更寬的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)D)以及翼片底部CD相比翼片頂部CD更窄的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)E)。在該示例性情況下，利用與周期結(jié)構(gòu)呈45度的第1階錐形衍射分析硅翼片。另外，不同間距的結(jié)構(gòu)包括在繪圖700內(nèi)。如繪圖700所示，第1階數(shù)據(jù)對于翼片厚度非常敏感(注意到結(jié)構(gòu)B與來自結(jié)構(gòu)A及結(jié)構(gòu)C到結(jié)構(gòu)E的信號顯著分離)。同樣，第1階數(shù)據(jù)對于周期結(jié)構(gòu)內(nèi)的間距變化非常敏感，應注意不同間距的頻譜也可從其他頻譜中顯著辨識。

在另一個方面，描述了用于執(zhí)行X射線反射散射測量的裝置。通常，在實施方式中，這種裝置包括通用X射線源以及沿二維延伸的聚焦單色器。聚焦單色器允許入射光射線在兩個不同的入射角撞擊周期樣本，(i)入射到周期結(jié)構(gòu)的平面，以及(ii)方相對于結(jié)構(gòu)的對稱性(并且在固定的入射角)的方位。散射光的檢測通過二維(2D)檢測器實現(xiàn)，其同時在兩個角度方向在整個散射角范圍內(nèi)對散射信號強度進行采樣。在一個實施方式中，確保檢測的信號沒有散射階重疊的單色器的約束需要入射角范圍小于在0度的標稱第一階角的角度，即θ＝sin^-1(1-λ/d)。因此，使用特征波長小于格柵的周期的光，可獲得更高階的衍射階，并且提供與格柵結(jié)構(gòu)有關的額外信息。此外，多個厚度周期的干涉條紋可用于確定線高、線寬以及線形狀。與2D干涉/散射數(shù)據(jù)相比，周期結(jié)構(gòu)的形狀和結(jié)構(gòu)的最終估計經(jīng)由散射解的反演實現(xiàn)。

作為更具體的實例，圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的實施方式，具有XRS能力的周期結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)的示圖。

參考圖8，用于通過X射線反射散射測量以測量樣本802的系統(tǒng)800包括，用于生成具有近似1keV或更低能量的X射線束806的X射線源804。設置樣本架808用于定位樣本802，樣本具有周期結(jié)構(gòu)。單色器810放置在X射線源804與樣本架802之間，由于X射線束806從X射線源804行進至單色器810并且然后到達樣本架808。單色器810用于聚焦X射線束806以將入射X射線束812提供至樣本架808。入射X射線束812同時具有多個入射角和多個方位角。系統(tǒng)800還包括檢測器814用于收集來自樣本802的散射X射線束816中的至少部分。

再次參考圖8，在實施方式中，X射線源804、樣本架808、單色器810以及檢測器814全部封裝在腔818中。在實施方式中，系統(tǒng)800還包括電子槍820。在一個這種實施方式中，X射線源804是陽極并且電子槍指向陽極。在具體實施方式中，陽極用于生成低能量X射線并且包括材料諸如但不限于碳(C)、鉬(Mo)或者銠(Rh)。在一個實施方式中，電子槍820是近似IkeV電子槍。再次參考圖8，在X射線源804和單色器810之間包括磁電子抑制器件822。

在實施方式中，單色器810是提供在近似+/-30度范圍內(nèi)的入射角和在近似+/-10度范圍內(nèi)的方位角的環(huán)形多層單色器。在一個這種實施方式中，環(huán)形多層單色器提供在近似+/-20度范圍內(nèi)的入射角。在實施方式中，如上所述，在單色器810與樣本架808之間沒有介入其中的校準器。單色器810可以放置為提供期望的入射束用于XRS測量。例如，在第一實施方式中，單色器810相對于樣本架808放置，以提供中心軸相對于樣本802的周期結(jié)構(gòu)具有固定的非零入射角和零方位角的會聚X射線束。在第二實施方式中，單色器810相對于樣本架808放置，以提供中心軸相對于樣本802的周期結(jié)構(gòu)具有固定的非零入射角和非零方位角的會聚X射線束。在實施方式中，單色器810包括布置在玻璃基板上的交替的金屬(M)層和碳(C)層，其中M是金屬，諸如但不限于鈷(Co)或者鉻(Cr)。在具體的這種實施方式中，設置多層單色器用于反射碳(C)基Kα輻射，并且多層單色器包括近似會是100個重復的周期約4納米的Co/C層或者Cr/C層，即周期稍小于近似5納米的反射束的波長。在一個這種實施方式中，Co層或者Cr層比C層更薄。

樣本架808可以是可移動樣本架。例如，在實施方式中，樣本架808能旋轉(zhuǎn)以改變X射線束812的中心軸相對于樣本802的周期結(jié)構(gòu)的方位角。在實施方式中，樣本架808能旋轉(zhuǎn)以提供伴隨同心旋轉(zhuǎn)的正交操作，每次測量使能兩個或更多樣本旋轉(zhuǎn)。在實施方式中，如圖8所示，導航視覺檢查裝置824允許視覺檢查樣本架808。在一個這種實施方式中，包括內(nèi)翻式(flip-in)物鏡用于基于視覺的檢查系統(tǒng)。

在實施方式中，檢測器814是二維檢測器。二維檢測器可被配置為同時對從入射束812的多個入射角和多個方位角散射的散射X射線束816中的部分的散射信號強度進行采樣。在實施方式中，系統(tǒng)800還包括耦接至二維檢測器的處理器或者計算系統(tǒng)899。在一個這種實施方式中，處理器899用于通過散射解相對于采樣的散射信號強度的反演估計樣本802的周期結(jié)構(gòu)的形狀。代替二維檢測器，在另一個實施方式中，可以實現(xiàn)掃描狹縫。在兩者之中任一情況下，檢測器814可以被配置為在整個擴散范圍獲得近似1000個數(shù)據(jù)收集的像素。

本發(fā)明的實施方式可以設置為可包括其上存儲有指令的機器可讀介質(zhì)的計算機程序產(chǎn)品或者軟件，指令可以用于對計算機系統(tǒng)(或者其他電子設備)進行編程以執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的處理。機器可讀介質(zhì)包括用于以機器(例如計算機)可讀的形式存儲或者傳輸信息的任何機構(gòu)。例如，機器可讀(例如計算機可讀)介質(zhì)包括機器(例如計算機)可讀存儲介質(zhì)(例如，只讀存儲器(“ROM”)、隨機存取存儲器(“RAM”)、磁盤存儲介質(zhì)、光學存儲介質(zhì)、閃存設備等)、機器(例如計算機)可讀傳輸介質(zhì)(電的、光的、聲的或者其他形式傳播信號(例如紅外信號、數(shù)字信號等))等。

圖9以計算機系統(tǒng)900的示例性形式示出機器的示意圖，在計算機系統(tǒng)900內(nèi)可以執(zhí)行指令集，用于促使機器執(zhí)行本文中論述的任一個或多個操作法。在可替換的實施方式中，機器可以連接(例如網(wǎng)絡地)到局域網(wǎng)(LAN)、內(nèi)網(wǎng)、外聯(lián)網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)中的其他機器。機器可以在客戶端服務器網(wǎng)絡環(huán)境中的服務器或者客戶端機器的容量下操作，或者作為對等(或者分布式)網(wǎng)絡環(huán)境中的對等機器操作。機器可以是個人計算機(PC)、平板電腦、機頂盒(STB)、個人數(shù)字助理(PDA)、蜂窩電話、網(wǎng)絡設備、服務器、網(wǎng)絡路由器、交換機或者電橋或者能夠執(zhí)行指定由該機器采取的動作的指令集(順序的或者以另外方式)的任何機器。進一步，雖然僅示出單個機器，術(shù)語“機器”還將取為包括單獨或者聯(lián)合執(zhí)行一個(或多個)指令集以執(zhí)行本文中論述的任何一個或多個操作法的機器(例如計算機)的任何集合。例如，在實施方式中，機器被配置為執(zhí)行一個或多個指令集用于通過X射線反射散射測量以測量樣本。在一個實例中，計算機系統(tǒng)900可以適合于使用上述XRS裝置800中的計算機系統(tǒng)899。

示例性計算機系統(tǒng)900包括經(jīng)由總線930互相通信的處理器902、主存儲器904(例如，只讀存儲器(ROM)、閃存、動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)諸如同步DRAM(SDRAM)或者Rambus DRAM(RDRAM)等)、靜態(tài)存儲器906(例如閃存、靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)等)以及輔助存儲器918(例如數(shù)據(jù)存儲設備)。

處理器902表示一個或多個通用處理設備，諸如微處理器、中央處理單元等。更具體地，處理器902可以是復雜指令集計算(CISC)微處理器、減小指令集計算(RISC)微處理器、超長指令字(VLIW)微處理器、執(zhí)行其他指令集的處理器或者執(zhí)行指令集的組合的處理器。處理器902也可以是一個或多個專用處理設備，諸如專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(DSP)、網(wǎng)絡處理器等。處理器902被配置為執(zhí)行處理邏輯926用于執(zhí)行本文中論述的操作。

計算機系統(tǒng)900可以進一步包括網(wǎng)絡接口設備908。計算機系統(tǒng)900還可以包括視頻顯示單元910(例如，液晶顯示器(LCD)或者陰極射線管(CRT))、字母數(shù)字輸入設備912(例如鍵盤)、光標控制設備914(例如鼠標)以及信號生成設備916(例如揚聲器)。

輔助存儲器918可以包括其上存儲有一個或多個指令集(例如軟件922)的機器可訪問存儲介質(zhì)(或者具體地計算機可讀存儲介質(zhì))931，指令集實現(xiàn)本文中描述的任一個或多個操作法或者功能。在通過計算機系統(tǒng)900執(zhí)行軟件期間，軟件922也可以全部或者至少部分地駐留在主存儲器904內(nèi)和/或在處理器902內(nèi)，主存儲器904和處理器902還構(gòu)成機器可讀存儲介質(zhì)。軟件922還可以經(jīng)由網(wǎng)絡接口設備908在網(wǎng)絡920上傳輸或者接收。

雖然示例性實施方式中示出的機器可訪問存儲介質(zhì)931是單個介質(zhì)，但是術(shù)語“機器可讀存儲介質(zhì)”應該取為包括存儲一個或多個指令集的單個介質(zhì)或者多個介質(zhì)(例如，集中式或者分布式數(shù)據(jù)庫，和/或相關聯(lián)的緩存和服務器)。術(shù)語“機器可讀存儲介質(zhì)”還將取為包括能夠存儲或者編碼用于由機器執(zhí)行的指令集的任何介質(zhì)，并且促使機器執(zhí)行本發(fā)明的任一個或多個操作法。術(shù)語“機器可讀存儲介質(zhì)”因此將取為包括但不限于固態(tài)存儲器以及光學介質(zhì)和磁性介質(zhì)。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，在非瞬時性機器可訪問存儲介質(zhì)上存儲有指令用于執(zhí)行通過X射線反射散射測量以測量樣本的方法。該方法包括：使入射X射線束撞擊具有周期結(jié)構(gòu)的樣本以生成散射X射線束。入射X射線束同時提供多個入射角和多個方位角。該方法還包括收集散射X射線束中的至少部分。

因此，描述了使用多角度X射線反射散射測量(XRS)用于測量周期結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)。