一种用于光学膜厚量测设备的匹配方法

技术领域

本发明总的来说涉及半导体制造技术领域。具体而言，本发明涉及一种用于光学膜厚量测设备的匹配方法。

背景技术

在半导体芯片制造过程中，需要广泛运用光刻、刻蚀、薄膜沉积、化学机械抛光、离子注入等工艺技术。其中常见的薄膜沉积技术包括物理气相沉积(PVD，Physical VaporDeposition)、化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)、原子层沉积(ALD，AtomicLayer Deposition)等。在PVD、CVD、ALD等薄膜沉积工艺完成之后需要使用膜厚量测设备准确测量多层薄膜的厚度、折射率(n)、吸收系数(k)、材料的成份、掺杂的浓度、应力等关键参数。根据高精度的光学膜厚量测数据，可以调节PVD、CVD、ALD等薄膜沉积工艺设备的参数，进而使得上述关键参数尽可能的接近设计值。

在现有的膜厚量测设备中，透射电子显微镜(TEM)属于破坏性量测技术，而基于椭偏技术的光学膜厚量测技术则具有非破坏性、量测速度快、量测精度高的优点。其中基于双旋转补偿器的膜厚量测技术是目前最先进的椭偏技术之一，其可以测量完整的4X4穆勒矩阵元。基于双旋转补偿器的光学膜厚量测设备可以用于目前绝大多数先进工艺的膜厚测量。

而在半导体芯片的大规模量产过程中，多台光学膜厚量测设备之间的匹配非常重要。如果多台光学膜厚量测设备的匹配程度较差，根据不同设备的量测数据调节PVD、CVD、ALD等薄膜沉积工艺设备的匹配程度也会较差。进而会影响到半导体芯片制造的一致性，导致产线良率的下降。

目前常用的光学膜厚量测设备通常使用一套镀有不同厚度SiO2的晶圆(厚度通常从20埃至10000埃不等)作为调教基准，通过量测其膜厚，进行设备系统参数的调校，使不同设备量测的厚度由薄到厚的SiO2膜厚值尽可能匹配。通过膜厚量测可以调校设备的系统参数，从而进行不同设备的匹配。此外匹配过程还需要借助提前建立并优化的光学膜厚量测模型。该模型需要浮动SiO2的厚度，以及SiO2色散模型里的相关系数，通过专业的回归计算引擎，达到较好的拟合优度。在膜厚量测过程中，通常会固定所有的SiO2色散模型里的相关系数，只浮动SiO2的厚度。

然而随着半导体制造领域中光学膜厚量测技术的应用场景越来越复杂，尤其是随着Logic进入FinFET(Fin Field-Effect Transistor)、GAA(Gate All Around)结构，DRAM(Dynamic Random Access Memory)进入20纳米以下节点，Flash进入3D NAND时代，在膜厚量测过程中可能面对材料光学特性复杂、超薄膜厚、超厚膜厚、不同材料膜厚之间相关性高、需要同时量测多层膜厚等诸多挑战。目前比较复杂的应用场景包括几百层SiO2/Si3N4重复层的膜厚量测、几百层SiO2/Poly重复层的膜厚量测、HKMG(High K Metal Gate)膜厚量测、ZAZ(ZrO2/Al2O3/ZrO2)膜厚量测、超晶格(Si/SiGe重复层)膜厚量测、材料成份与掺杂浓度量测等。由于上述光学膜厚量测应用场景的难度和复杂程度远高于简单的SiO2晶圆光学膜厚量测。因此传统的仅基于一套镀有SiO2晶圆的膜厚量测，进行光学膜厚量测设备系统参数的调校，往往不能满足更复杂的光学膜厚量测设备的匹配精度要求。换句话说，不同厚度的SiO2晶圆膜厚匹配好了之后，并不代表其它更复杂的膜系厚度可以较好匹配。因此，需要提出一种精度更高的、适用于光学膜厚量测设备的匹配方法。

发明内容

为至少部分解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种用于光学膜厚量测设备的匹配方法，包括下列步骤：

提供多个标准晶圆，其中多个所述标准晶圆具有各不相同的膜系结构；

根据所述膜系结构构造与所述标准晶圆对应的光学膜厚量测模型，并且对所述光学膜厚量测模型进行优化；

在基准设备上采集所述标准晶圆的全波段光谱信号，根据优化后的光学膜厚量测模型，通过回归拟合确定所述标准晶圆的目标膜厚值；

在匹配设备上采集所述标准晶圆的全波段光谱信号，并且根据优化后的光学膜厚量测模型，通过回归拟合确定所述标准晶圆的量测膜厚值；以及

调整所述光学膜厚量测模型中的浮动参数以及所述匹配设备的系统参数以使所述量测膜厚值与所述目标膜厚值相匹配。

在本发明一个实施例中规定，所述标准晶圆包括下列各项的一个或者多个：

第一标准晶圆，其基底为Si，其中在Si基底上依次沉积有SiO2薄膜、Si3N4薄膜以及SiO2薄膜；

第二标准晶圆，其基底为Si，其中在Si基底上依次沉积有Ge浓度20％的SiGe薄膜、Ge浓度40％的SiGe薄膜以及Si薄膜；

第三标准晶圆，其基底为Si，其中在Si基底上依次沉积有SiGe薄膜、Si薄膜、SiGe薄膜、Si薄膜、SiGe薄膜以及Si薄膜；

第四标准晶圆，其基底为Si，其中在Si基底上依次沉积有IL薄膜、HK薄膜、TiN薄膜、TaN薄膜以及TiN薄膜；

第五标准晶圆，其基底为Si，其中在Si基底上依次沉积有SiO2薄膜、TiN薄膜、ZrO2薄膜、Al2O3薄膜以及ZrO2薄膜；

第六标准晶圆，其包括128对SiO2/Si3N4重复层；

第七标准晶圆，其包括128对SiO2/Poly重复层；以及

多个第八标准晶圆，其包括多个厚度各不相同的SiO2晶圆，其中所述SiO2晶圆的厚度范围为20埃至10000埃。

在本发明一个实施例中规定，根据所述膜系结构构造与所述标准晶圆对应的光学膜厚量测模型，并且对所述光学膜厚量测模型进行优化包括下列步骤：

提供多个实验设计晶圆；

在基准设备上采集所述实验设计晶圆的全波段光谱信号；

通过透射电子显微镜测量所述实验设计晶圆以及所述标准晶圆的膜厚参考值；

根据所述膜系结构构造光学膜厚量测初始模型，其中设置初始浮动参数以及固定参数；

对所述初始浮动参数进行灵敏度分析以用于回归拟合；以及

使用改进的全局-局部混合演化算法通过回归拟合调整浮动参数以及修改固定参数，其中当归一化拟合优度大于等于0.98时完成光学膜厚量测模型的优化。

在本发明一个实施例中规定，对所述光学膜厚量测模型进行优化还包括：

在所述实验设计晶圆以及所述标准晶圆上选取采样点，通过优化后的光学膜厚量测模型进行回归拟合计算以对所述采样点的归一化拟合优度进行验证，并且记录所述采样点的膜厚量测值；以及

将所述膜厚量测值与所述膜厚参考值进行相关性对比以使得所述膜厚量测值与所述膜厚参考值之间的差值最小。

在本发明一个实施例中规定，所述基准设备以及所述匹配设备是具有双旋转补偿器的光学膜厚量测设备，包括：光源、起偏器、第一旋转补偿器、第二旋转补偿器、检偏器以及探测器，其中由所述光源发射的光线经过所述起偏器形成偏振光，所述偏振光经过所述第一旋转补偿器后在测量样品的表面发生反射，反射光经过所述第二旋转补偿器以及所述检偏器到达所述探测器，其中所述测量样品包括实验设计晶圆或者标准晶圆。

在本发明一个实施例中规定，使用斯托克斯矢量以及穆勒矩阵描述光在具有双旋转补偿器的光学膜厚量测设备中的变换，其中到达探测器的散射光的斯托克斯矢量S

S

其中，R(θ)表示器件的旋转矩阵，M

在本发明一个实施例中规定，在基准设备上采集所述标准晶圆的全波段光谱信号的量测点位与在匹配设备上采集所述标准晶圆的全波段光谱信号的量测点位相一致。

在本发明一个实施例中规定，所述匹配设备的系统参数包括：检偏器的初始方位角、第一补偿器的初始方位角、第二补偿器的初始方位角、入射角以及Z轴方向的初始高度偏移量。

在本发明一个实施例中规定，所述用于光学膜厚量测设备的匹配方法还包括：通过调整材料的色散模型参数以使所述量测膜厚值与所述目标膜厚值相匹配。

在本发明一个实施例中规定，所述基准设备以及所述匹配设备还包括：具有旋转起偏器以及旋转补偿器的光学膜厚量测设备、具有旋转补偿器以及旋转检偏器的光学膜厚量测设备、具有旋转起偏器的光学膜厚量测设备、具有旋转检偏器的光学膜厚量测设备或者反射计式光学膜厚量测设备。

本发明至少具有如下有益效果：能够覆盖各种复杂的光学膜厚量测应用场景；使用基准设备上膜厚量测值作为匹配目标，通过回归算法能够寻找出系统参数的全局最优值；使用改进的全局-局部混合演化算法进行回归拟合来确定膜厚量测值，大大提高了计算精度和计算速度。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出了本发明一个实施例中一个用于光学膜厚量测设备的匹配方法的流程示意图。

图2示出了本发明一个实施例中一个具有双旋转补偿器的光学膜厚量测设备的结构示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

图1示出了本发明一个实施例中一个用于光学膜厚量测设备的匹配方法的流程示意图。如图1所示，该方法可以包括下列步骤：

步骤101、提供多个标准晶圆，其中多个所述标准晶圆具有各不相同的膜系结构。其中可以在PVD、CVD或者ALD设备上生成具有不同的膜系结构的标准晶圆，所述标准晶圆用于光学膜厚量测设备的匹配，可以覆盖常见的光学膜厚量测应用场景。

步骤102、根据所述标准晶圆的膜系结构构造光学膜厚量测模型。

步骤103、在基准设备上采集多个所述标准晶圆的全波段光谱信号(全穆勒矩阵)，并且根据所述光学膜厚量测模型，通过回归算法确定所述标准晶圆的目标膜厚值。

步骤104、在匹配设备上采集所述标准准晶圆的全波段光谱信号(全穆勒矩阵)。

步骤105、在光学膜厚量测建模平台上使用改进的全局-局部混合演化算法，调整在匹配设备的系统参数以及光学膜厚量测模型中的浮动参数，必要时可以少量浮动关键材料的色散模型参数，以使得在匹配设备上的标准晶圆的膜厚测量值与所述目标膜厚值尽可能地匹配。

步骤106、在匹配设备的上位机调校软件中根据所述全局-局部混合演化算法的系统参数值调整匹配设备的系统参数，使得匹配设备与基准设备的测量值相匹配。

所述基准设备以及所述匹配设备可以是具有双旋转补偿器的光学膜厚量测设备，还可以是具有旋转起偏器以及旋转补偿器的光学膜厚量测设备、具有旋转补偿器以及旋转检偏器的光学膜厚量测设备、具有旋转起偏器的光学膜厚量测设备、具有旋转检偏器的光学膜厚量测设备或者反射计式光学膜厚量测设备。图2示出了本发明一个实施例中一个具有双旋转补偿器的光学膜厚量测设备的结构示意图。如图2所示，具有双旋转补偿器的光学膜厚量测设备可以包括：光源201、起偏器202、第一旋转补偿器203、第二旋转补偿器205、检偏器206以及探测器207。其中由所述光源201发射的光线经过所述起偏器202形成偏振光，所述偏振光经过所述第一旋转补偿器203后在测量样品204的表面发生反射，反射光经过所述第二旋转补偿器205以及所述检偏器206到达所述探测器207，其中所述测量样品204包括实验设计晶圆或者标准晶圆。

下面结合具体实施例，进一步地说明该方法的各步骤。

在步骤101中，提供多个具有不同的膜系结构的标准晶圆。其中第一标准晶圆的基底为Si，Si基底上依次沉积有SiO2、Si3N4以及SiO2薄膜。第二标准晶圆的基底为Si，Si基底上依次沉积有Ge浓度20％的SiGe、Ge浓度40％的SiGe以及Si薄膜。第三标准晶圆的基底为Si，Si基底上依次沉积有SiGe、Si、SiGe、Si、SiGe以及Si薄膜。第四标准晶圆的基底为Si，Si基底上依次沉积有IL、HK、TiN、TaN以及TiN薄膜。第五标准晶圆的基底为Si，Si基底上依次沉积有SiO2、TiN、ZrO2、Al2O3以及ZrO2薄膜。第六标准晶圆包括128对SiOO/Si3N4重复层。第七标准晶圆包括128对SiO2/Poly重复层。第八标准晶圆包括一套不同厚度的SiO2晶圆，其厚度可以为20埃到10000埃不等。此外，还可以增加一些包含Poly、TiN、W、Cu的膜系结构。针对红外波段的量测匹配，晶圆还可以增加到二百对以上的SiO2/Si3N4重复层或者SiO2/Poly重复层。

在步骤102中，根据标准晶圆的膜系结构，给每一类标准晶圆分别建立对应的光学膜厚量测模型并且对所述光学膜厚量测模型进行优化。

在通过仿真模拟回归建模之前，首先为上述标准晶圆提供实验设计(DOE，DesignOf Experiment)晶圆。由于所述标准晶圆是用于双旋转补偿器的光学膜厚量测设备的匹配，为了构造高性能的光学膜厚量测模型，需要提供多条件的DOE晶圆。其中除了两片基准条件的晶圆之外(一片用于TEM量测获得膜厚参考值，一片用于设备匹配量测)，对于每一个重要的膜厚参数(THK)，都要做一片THK-10％和一片THK+10％条件的晶圆。

在基准设备上采集每片DOE晶圆的全波段光谱信号(全穆勒矩阵)，为了建立稳健的光学膜厚量测模型，需要采集DOE晶圆上至少50个位置的全波段光谱信号。

使用斯托克斯矢量和穆勒矩阵来描述光在双旋转补偿器的光学膜厚量测设备中的变换。到达探测器的散射光的斯托克斯矢量为S

S

其中，R(θ)表示器件的旋转矩阵，M

将所有DOE晶圆以及每个膜系结构的一片标准晶圆送切透射电子显微镜(TEM)量测膜厚作为参考值，通常每片晶圆从中心到边缘至少需要切三个点。

对于每一个膜系结构，根据已知的膜系堆叠次序、材料、每层膜的名义厚度在光学膜厚量测建模平台上构造初始模型，在初始模型中可以根据经验设定初始浮动参数以及固定参数。

对于初始模型，通过灵敏度分析得到所有浮动参数的灵敏度、相关系数和模拟重复精度。进行若干次增加、减少浮动参数，通过灵敏度分析，暂定用于回归拟合的浮动参数。根据光学膜厚量测建模的经验，为不同的材料选择初始的色散模型，并选择关键的色散模型系数进行浮动。对于厚膜，使用改进的全局-局部混合演化算法(Global-Local MixedEvolutionary)算法可以取得很好的效果，其中可以通过厚膜法(将频率光谱做FFT变换到实域找到大致的膜厚)计算初值，然后在宽光谱的各个分段使用求局部极小值的其他经典算法进行优化。

在光学膜厚量测建模平台上，通过上述算法回归拟合不断调整浮动参数，以修改固定参数的固定值，当归一化拟合优度(NGOF，Normalized Goodness Of Fitting)提高到至少0.98以上时，可以认为光学膜厚量测模型里的模厚、色散模型系数与标准晶圆的实际情况非常接近了，可以将所有的色散模型系数固定。

选取DOE晶圆和标准晶圆的采样点，通过优化后的膜厚量测模型进行回归拟合计算，对所有采样点的NGOF进行验证，并且记录所有采样点的量测值。

将光学膜厚量测值与TEM量测参考值作相关性比对，R平方值需要大于0.9，斜率需要落于0.9到1.1之间。根据相关性比对公式，建立各层膜厚的感兴趣的参数(DOI，Dimension Of lnterest)对斜率和截距进行校正，以使得DOI与TEM量测参考值的误差最小。通过上述步骤可以得到合格的光学膜厚量测模型，以用于双旋转补偿器的光学膜厚量测设备的匹配。

在步骤103中，在基准设备上采集所述标准晶圆的全波段光谱信号(全穆勒矩阵)，为了寻找全局最优解，在标准晶圆上至少需要采集50个点。进一步地，根据所述标准晶圆的全波段光谱信号，基于优化后的光学膜厚量测模型经过回归拟合计算得到膜厚值，这组膜厚值将被用作其余设备的匹配目标值。

在步骤104中，在匹配设备上使用与基准设备完全相同的设置对整套标准晶圆采集全波段光谱信号(全穆勒矩阵)。其中量测点位与基准设备完全一致。

在步骤105中，在光学膜厚量测建模平台上使用改进的全局-局部混合演化算法，以基准设备量测得到的膜厚值作为匹配目标值。沿用基准设备使用的光学膜厚量测模型，浮动相同的膜厚参数，除此之外浮动用于匹配设备调校的系统参数，主要有：PO(检偏器的初始方位角、CAO(补偿器A的初始方位角)、CBO(补偿器B的初始方位角)、AO(检偏器的初始方位角)、AOI(入射角)、AZ(运动台初始方位角)、Zoffset(Z方向初始高度偏移量)等等。必要时也可以少量浮动关键材料的色散模型参数，使得每片标准晶圆的各个关键膜厚值尽可能匹配基准设备的量测值。也就是针对每片标准晶圆的各个关键膜厚，寻找到一组系统参数全局最优值，使得匹配设备在这组系统参数情况之下，可以将这组标准晶圆上的各个关键膜厚值最好地匹配基准设备。

在步骤106中，根据步骤105中得到的系统参数值，在匹配设备的上位机调校软件中调整匹配设备的系统参数，以使匹配设备的膜厚量测值与基准设备相匹配。

进一步地，还可以基于产线质量控制晶圆的匹配验证，其中当匹配误差在指标范围内时，在后续进行周期性的跟踪验证。当膜系结构的匹配误差超出指标范围时，可将这部分膜系结构的晶圆制作一套DOE晶圆，并且重复步骤102至步骤106。

上述步骤中，所述基准设备可以是黄金机台。此外，该方法除了适用于黄金机台匹配，也可以用于机群匹配，也就是说可以将当前所有设备的膜厚量测值的平均值作为新机台的匹配目标。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。