半导体测量设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年10月12日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2021-0134585的优先权的利益，该申请的公开以引用方式全文并入本文中。

技术领域

实施例涉及一种半导体测量设备。

背景技术

半导体测量设备可利用椭圆偏光法来测量包括在半导体工艺中形成的结构的样品中的结构的关键尺寸。

发明内容

根据实施例，一种半导体测量设备包括：照明单元，其包括光源和设置在从光源发射的光的传播路径上的偏振器；光学单元，其被配置为将经过偏振器的光入射到样品上，并且将从样品反射的光传输至图像传感器；以及控制器，其被配置为处理由图像传感器输出的原始图像，以确定样品的光入射在其上的区中包括的结构的关键尺寸，其中：控制器通过处理原始图像来获取光学单元中包括的物镜的后焦平面上的二维图像，并且控制器将与光的波段中的选择的波长相对应的二维图像正交地分解为多个基图像，以生成包括与多个基图像相对应的多个权重的一维数据，并且使用一维数据来确定结构的关键尺寸中的选择的关键尺寸。

根据实施例，一种半导体测量设备包括：图像传感器，其被配置为接收经过偏振器并且随后从样品反射的光，并且生成表示光的干涉图案的图像；光学单元，其设置在图像传感器接收光的路径上；以及控制器，其被配置为将图像划分为与从样品反射的光的偏振分量的强度差相对应的第一图像和与从样品反射的光的偏振分量的相位差相对应的第二图像，并且将第一图像和第二图像中的至少一个正交地分解为多个基图像和多个权重，其中：控制器利用多个权重来确定样品的反射光的区中包括的结构的关键尺寸，经过偏振器然后从样品反射的光是具有单一波长的光，并且控制器在从样品反射具有连续波段的光的同时从图像传感器接收图像，并且获取其中图像沿着波段布置的三维数据。

根据实施例，一种半导体测量设备包括：照明单元，其包括光源和将由光源发射的光偏振的偏振器；光学单元，其包括设置在经过偏振器的光朝着样品传播的路径上的物镜和将从样品反射的光偏振的偏振元件；图像传感器，其被配置为接收经过光学单元的光，并且通过单次快门操作生成表示在物镜的光瞳的位置处限定的二维平面中的光的干涉图案的原始图像；以及控制器，其被配置为将正交分解或矩阵分解应用于原始图像，以确定样品的反射光的区中包括的结构的关键尺寸。

附图说明

通过参照附图详细描述示例实施例，特征对于本领域技术人员将变得清楚，在附图中：

图1是示意性地示出根据示例实施例的半导体测量设备的示图。

图2和图3A至图3C是用于描述和对比操作根据示例实施例的半导体测量设备和一般半导体测量设备的方法的示图。

图4至图6是示出利用根据示例实施例的半导体测量设备的各测量方法的示图。

图7是示意性地示出根据示例实施例的半导体测量设备的示图。

图8是示出操作根据示例实施例的半导体测量设备的方法的示图。

图9是示意性地示出通过根据示例实施例的半导体测量设备获取的原始图像的示图。

图10A和图10B是示出通过根据示例实施例的半导体测量设备从原始图像提取的第一图像和第二图像的示图。

图11是用于辅助描述操作根据示例实施例的半导体测量设备的方法的示图。

图12是示出在根据示例实施例的半导体测量设备中执行的正交分解的示图。

图13是示意性地示出通过根据示例实施例的半导体测量设备生成的一维数据的示图。

图14A和图14B是用于描述操作根据比较例的一般半导体测量设备的方法的示图。

图15A和图15B是用于描述操作根据示例实施例的半导体测量设备的方法的示图。

图16A和图16B是用于描述操作根据示例实施例的半导体测量设备的方法的示图。

图17A和图17B是用于描述操作根据示例实施例的半导体测量设备的方法的示图。

具体实施方式

图1是示意性地示出根据示例实施例的半导体测量设备的示图。

参照图1，根据示例实施例的半导体测量设备1可为利用或执行椭圆偏光法的设备。参照图1，半导体测量设备1可包括照明单元10、光学单元20、自干涉发生器30、图像传感器40和控制器50。半导体测量设备1可为被配置为利用照明单元10辐射样品60，以接收反射光，从而生成图像。可分析图像以测量样品60中包括的结构的关键尺寸。

照明单元10可包括光源11、单色仪12、纤维13、照明透镜14和偏振器15。

光源11可输出将要入射到样品60的光。光可为包括从紫外波段至红外波段的波长的光，或者可为具有特定波长的单色光。单色仪12可从光源11发射的光中选择和发射预定波段。单色仪12可在改变来自光源11的光的波段的同时将光辐射至样品60，以将宽波段或宽波长范围的光辐射至样品60。

纤维13可为缆线形导光构件。入射在纤维13上的光可辐射至照明透镜14。

照明透镜14可为凸透镜。通过调整通过纤维13辐射的光的角分布，光可被引导为入射在偏振器15上。例如，照明透镜14可将通过纤维13辐射的光转变为平行光。

偏振器15可在预定偏振方向上将经过照明透镜14的光偏振，以入射在样品60上。偏振器15可在相对于地面倾斜45度的偏振方向上将光偏振，并且经过偏振器15的光可传播至光学单元20的第一分束器21。

第一分束器21可反射通过偏振器15接收的光的一部分，并且可透射通过偏振器15接收的光的一部分。

从第一分束器21反射的光可入射在物镜22上。经过物镜22的光可被引导为入射在样品60上。例如，经过物镜22的光可入射以聚焦于样品60的目标区。辐射至样品60的光可为在特定方向上偏振的线偏振光。线偏振光可会聚并且可入射在样品60的目标区上。光可根据基于样品60的表面确定的入射角包括P偏振光分量和S偏振光分量。

当经过物镜22的光从样品60的目标区反射时，物镜22可再次接收反射光。在图1中，入射在样品60上并且从样品60反射的光的光轴C被示为垂直于样品60的表面。从样品60反射的光可按次序经过物镜22、第一分束器21以及第一中继透镜23和第二中继透镜24。

第一中继透镜23可会聚经过第一分束器21的光，以形成图像，随后可允许光入射在第二中继透镜24上。经过第二中继透镜24的光可入射在自干涉发生器30上。

自干涉发生器30可包括棱镜构件31和偏振元件32。

棱镜构件31可将穿出光学单元20的光分离为在两个方向上线偏振的光。例如，棱镜构件31可实施为Nomarski棱镜、Wollaston棱镜和Rochon棱镜中的至少一种。通过棱镜构件31生成的两个方向的线偏振光中的每一个的偏振方向可定义为彼此垂直的第一方向和第二方向。

偏振元件32可透射在相对于第一方向和第二方向倾斜45度的方向上偏振的光。例如，偏振元件32可使光的在相对于第一方向倾斜45度的方向上的偏振分量通过，并且可使光的在相对于第二方向倾斜45度的方向上的偏振分量通过。经过偏振元件32的光可入射在图像传感器40上。

图像传感器40可利用接收到的光输出原始图像。通过图像传感器40输出的原始图像可为包括经过偏振元件32的光的干涉图案的图像。图像传感器40可将原始图像输出至控制器50，并且控制器50可处理原始图像，以确定样品60的用光辐射的区中包括的结构的关键尺寸。

例如，控制器50可将原始图像分离为第一图像和第二图像。第一图像可为指示根据从样品60反射的光的偏振的强度的图像，第二图像可为指示根据从样品60反射的光的偏振的相位差的图像。

控制器50可将第一图像和第二图像中的至少一个正交地分解为多个基图像，并且可使用分配给多个基图像的多个权重。

控制器50可使用多个基图像和多个权重，以确定样品60的用光辐射的区中包括的结构的关键尺寸。

在另一实施方式中，控制器50可使用诸如奇异值分解等的矩阵分解来分解第一图像和第二图像中的至少一个。

根据当前示例实施例，半导体测量设备1可精确地确定样品60的结构的关键尺寸中的待测量的选择的关键尺寸。

通常，可利用根据从样品反射的光的波长的光谱分布来确定结构的关键尺寸。然而，在这种情况下，待确定的选择的关键尺寸与其它关键尺寸之间的差可影响光谱分布，这可降低测量精度。

根据当前示例实施例，在通过正交地分解从原始图像提取的第一图像和第二图像中的至少一个获取的多个权重中，可确定对待测量的选择的关键尺寸具有最高灵敏度的选择的权重，并且可参照选择的权重来确定选择的关键尺寸。因此，其它关键尺寸的影响可最小化，并且半导体测量设备1的性能可提高。此外，可因此提高半导体工艺的良率。

图2和图3A至图3C是用于描述和对比操作根据示例实施例的半导体测量设备和一般半导体测量设备的方法的示图。

图2和图3A至图3C分别是示意性地示出半导体装置100和100A至100C的部分区域的示图。半导体装置100和100A至100C可包括多个半导体元件。半导体装置100和100A至100C可对应于样品60或被包括在样品60中。

参照图2，半导体装置100可包括衬底101、源极/漏极区110、栅极结构120、源极/漏极接触件130和层间绝缘层140。图2可对应于半导体装置100的部分区域，半导体装置100还可包括布线图案、栅极接触件、多个焊盘区、防护图案等。

衬底101可包括半导体材料。鳍结构105可形成在衬底101中或衬底101上，以在垂直于衬底101的上表面的Z轴方向上突出。鳍结构105可在X轴方向上横向连接至源极/漏极区110，并且可在Y轴方向和Z轴方向上接触栅极结构120。鳍结构105中的每一个可提供沟道区。

源极/漏极区110中的每一个可包括第一源极/漏极层111和第二源极/漏极层113。第一源极/漏极层111可直接接触衬底101和鳍结构105。第二源极/漏极层113可为利用第一源极/漏极层111通过选择性外延生长工艺等形成的层。第二源极/漏极层113可连接至源极/漏极接触件130。源极/漏极接触件130可设置在层间绝缘层140中，并且可由诸如金属、金属硅化物等的材料形成。源极/漏极接触件130可包括由不同材料形成的多个层。

栅极结构120中的每一个可包括栅极间隔件121、栅极绝缘层122、栅电极层123和封盖层124。可由栅极结构120中的一个栅极结构120和该一个栅极结构120的两侧上的源极/漏极区110来提供例如晶体管等的半导体装置。

参照图2，鳍结构105中的每一个可具有第一高度H1和第一宽度W1。第一高度H1和/或第一宽度W1可被包括在可通过利用根据示例实施例的半导体测量设备1测量的鳍结构105的关键尺寸中。

鳍结构105中的每一个的高度和宽度可根据半导体装置100的特性而变化。

通常，鳍结构105的宽度的变化(例如，第一宽度W1的变化)可影响用于测量鳍结构105的高度的光谱分布(例如，用于测量第一高度H1的光谱分布)。因此，在被获取以测量鳍结构105的高度的光谱分布中，通过鳍结构105的宽度的变化，光谱分布可能被不精确地形成(例如，改动)。结果，可能发生测量错误，例如，尺寸可能未被精确地确定。

更详细地，参照图3A，半导体装置100A可包括高度大于图2的鳍结构105的高度的鳍结构105A，例如，鳍结构105A可具有大于图2的第一高度H1的第二高度H2。因此，源极/漏极区110A的形状可改变。

接着，参照图3B，半导体装置100B可包括宽度大于图2的鳍结构105的宽度的鳍结构105B，例如，鳍结构105B可具有大于图2或图3A的第一宽度W1的第二宽度W2。因此，源极/漏极区110B的形状也可改变。

接着，参照图3C，半导体装置100C中包括的鳍结构105C的高度和宽度均可增大，例如，鳍结构105C可具有大于图2或图3B的第一高度H1的第二高度H2和大于图2或图3A的第一宽度W1的第二宽度W2。

通常，被获取以用于测量图2的半导体装置100中的鳍结构105的高度的光谱分布可与被获取以用于测量图3A至图3C的半导体装置100A至100C中的鳍结构105A至105C的高度的光谱分布中的每一个不同。

随着诸如半导体装置100和100A至100C中包括的结构的结构越来越小型化，可能变得越来越难以区分从半导体装置100A至100C获取的光谱分布的差异是由于高度变化还是宽度变化或是这二者而发生的。在制造工艺中，可通过蚀刻衬底101的部分区域而形成鳍结构105A至105C。在这样的工艺中，当期望增大鳍结构105A至105C的高度时，不仅多个鳍结构105A至105C的高度而且其宽度可能会被蚀刻工艺所改变。通常，可能难以区分通过一般半导体测量设备输出的光谱分布的变化是受鳍结构105A至105C的高度变化的影响更多还是受鳍结构105A至105C的宽度变化的影响更多。结果，期望的关键尺寸可能未被精确地确定。

不同的关键尺寸(诸如高度和宽度)可能对半导体测量设备的测量条件具有不同的灵敏度。例如，特定的方位角和入射角条件对高度的灵敏度可高于对宽度的灵敏度。

通常，可通过在各种方位角和入射角条件下从半导体装置100A至100C获取光谱分布来测量期望的关键尺寸。然而，一般半导体测量设备中的方位角和入射角调整可能存在限制。

根据示例实施例，如上参照图1的描述，半导体测量设备1可辐射光轴垂直于样品60的表面的光，并且可接收反射光以确定样品60中包括的结构的关键尺寸。根据示例实施例，可通过图像的单次捕获来获取与对应于0度至360度的方位角完全对应的数据，并且还可通过图像的单次捕获来获取与根据物镜的数值孔径的宽范围的入射角相对应的数据。因此，在各种方位角和入射角中，可选择与对待测量的关键尺寸具有最高灵敏度的方位角和入射角相对应的数据，并且可基于其光谱分布确定关键尺寸。因此，可精确地确定待测量的关键尺寸，而无论具有微小尺寸的结构中的彼此影响的关键尺寸的相互作用如何，或受具有微小尺寸的结构中的彼此影响的关键尺寸的相互作用的影响较少，从而提高利用半导体测量设备1的工艺的效率。

在示例实施例中，通过图像的单次捕获获取的数据可被正交地分解为多个基图像，并且可通过在分配给多个基图像的多个权重中具有最高灵敏度的权重来确定关键尺寸。可替换地，可根据多个基图像利用多个权重的分布来确定关键尺寸。因此，在通过图像的单次捕获获取宽范围的方位角和入射角的数据的同时，待处理和存储的数据的大小可减小，以有效地执行测量工艺。

图4至图6是示出利用根据示例实施例的半导体测量设备的各测量方法的示图。

参照图4，根据示例实施例的半导体测量设备的操作可从获取二维图像(S10)开始。在S10中通过半导体测量设备的控制器获取的二维图像可为原始图像或者通过处理原始图像而生成的图像，原始图像通过以下步骤生成：由半导体测量设备的照明单元将光辐射至样品，以及由图像传感器接收从样品反射的光。

半导体测量设备的控制器可将二维图像正交地分解为多个基图像(S11)。例如，控制器可利用正交多项式或矩阵分解正交地分解二维图像。可根据正交多项式或矩阵分解来确定用于二维图像的正交分解的多个基图像，并且例如，正交多项式可包括泽尼克多项式、勒让德多项式和埃尔米特多项式中的至少一个。控制器可确定分配给应用于二维图像的正交分解的多个基图像的多个权重(S12)。因此，二维图像可利用多个基图像和多个权重变换为一维数据。

控制器可利用多个权重来确定样品的被辐射了光的区中包括的结构的关键尺寸(S13)。例如，控制器可将用于多个基图像的多个权重的分布与存储在库中的参考数据进行比较，以确定结构的关键尺寸。存储在库中的参考数据可包括通过将根据多个基图像的多个权重的分布与结构中的待测量的关键尺寸的值进行匹配而获取的数据。

在另一示例实施例中，控制器可从多个权重中确定对待确定的关键尺寸最敏感的选择的权重，并且可将选择的权重与存储在库中的参考数据进行比较，以确定结构的关键尺寸。在这种情况下，存储在库中的参考数据可包括将可具有对结构中的待测量的关键尺寸具有最高灵敏度的权重的值与待测量的关键尺寸的值进行匹配而获取的数据。

参照图5，根据示例实施例的半导体测量设备的操作可从获取三维数据(S20)开始，例如，根据示例实施例的半导体测量设备中包括的光源可用具有从紫外波段至红外波段的波段的光来辐射样品。在具有宽波段的光从样品反射的同时，半导体测量设备的图像传感器可生成表示反射光的偏振分量的干涉图案的图像，并且控制器可根据波段布置图像，以获取三维数据。这里，在限定三维数据的XYZ坐标系中，X-Y平面可被限定为平行于样品的表面的平面，Z轴可被限定为对应于波段的轴。

一旦获取三维数据，半导体测量设备的控制器可从三维数据获取对应于选择的波长的二维图像(S21)。三维数据可包括在宽波段或宽波长范围(例如，从紫外波段至红外波段)上表示从样品反射的光的干涉图案的图像，因此，当从三维数据确定选择的波长时，可获取辐射至样品的具有选择的波长的光作为二维图像。

在S20中确定的选择的波长可根据样品中包括的结构的配置和结构中的待测量的关键尺寸而改变。例如，根据结构延伸的方向、结构的形状、结构的大致尺寸等，可存在与其它波段相比具有相对更高的灵敏度的波长。因此，控制器可根据样品中包括的结构的配置、结构中的待测量的关键尺寸等确定选择的波长。例如，即使在相同结构中，在测量其高度和测量结构之间的距离时，可不同地确定选择的波长。

另外，根据示例实施例，可存在两个或更多个选择的波长。例如，控制器可选择相对于待测量的关键尺寸与其它波段相比具有相对更高的灵敏度的两个或更多个选择的波长。例如，控制器可选择与来自波段的预定参考值相比具有更高灵敏度的两个或更多个选择的波长。

控制器可从在S21中获取的二维图像中获取第一图像和第二图像(S22)。在示例实施例中，第一图像可为表示根据从样品反射的光的偏振的强度比的图像，并且第二图像可为表示根据从样品反射的光的偏振的相位差的图像。例如，当半导体测量设备利用椭圆偏光法测量结构的关键尺寸时，第一图像可根据方位角和入射角对应于椭圆偏光法的第一参数Ψ，并且第二图像可根据方位角和入射角对应于椭圆偏光法的第二参数Δ。

接着，控制器可将第一图像和第二图像中的至少一个正交地分解为多个基图像(S23)，并且可确定对应于多个基图像的多个权重(S24)。如上所述，控制器可利用例如泽尼克多项式、勒让德多项式或埃尔米特多项式的正交多项式中的至少一个来选择多个基图像，并且可确定分配给多个基图像的多个权重。在正交分解之后，控制器可使用多个权重的分布或者多个权重中的对待测量的关键尺寸最敏感的选择的权重来确定结构的关键尺寸(S25)。

参照图6，根据示例实施例的半导体测量设备的操作可从由控制器从图像传感器获取原始图像开始(S30)。原始图像可为通过由照明单元将光辐射至样品并且由图像传感器接收从样品反射的光而生成的图像。原始图像可为其中出现从样品反射的光的干涉图案的图像。如上参照图5所述，控制器可根据由照明单元辐射至样品的光的波段从图像传感器获取多个原始图像。

控制器可将原始图像变换为二维频率空间中的数据，以生成二维频率空间中的数据，并且可在二维频率空间中选择其中出现由干涉引起的信号的区(S31)。例如，在S31中选择的区中包括的数据可为与在参考半导体测量设备的光学单元中包括的物镜的光瞳的位置设置的后焦平面上聚焦的图像相对应的数据。控制器可将在S31中选择的区中包括的数据逆变换，以获取在物镜的后焦平面上聚焦的二维图像(S32)。例如，傅立叶变换、希尔伯特变换等可应用于S31和S32中的变换和逆变换。

控制器可将物镜的后焦平面的二维图像正交地分解为多个基图像，并且可确定对应于多个基图像的多个权重(S33和S34)。可根据如上所述应用于正交分解的正交多项式(例如，泽尼克多项式、勒让德多项式或者埃尔米特多项式)中的至少一个确定多个基图像。可替换地，可利用矩阵分解将二维图像正交地分解为多个基图像。当确定了多个基图像和对应于多个基图像的多个权重时，控制器可使用多个权重来确定样品中包括的结构的关键尺寸。

例如，控制器可生成用于多个基图像的多个权重的分布作为一维数据(S35)。例如，一维数据可包括在对应于多个基图像的水平轴和对应于多个权重的竖直轴上表达的曲线图。控制器可将一维数据与先前存储在库中的参考数据进行比较，以确定样品中包括的结构的关键尺寸(S37)。在这种情况下，参考数据可为以多个基图像为水平轴并且以多个权重为竖直轴的曲线图，与在S35中生成的一维数据相似。相似地，可使用根据结构的关键尺寸的值确定多个权重，以将一维数据与参考数据进行比较并且确定关键尺寸。

另外，根据示例实施例，控制器可从多个权重中确定对关键尺寸具有高灵敏度的至少一个选择的权重(S36)。例如，控制器可将预定的第一参考值与多个权重进行比较，并且可选择大于第一参考值的至少一个选择的权重。可替换地，参照多个权重的分布，可选择与中间值或者平均值的差等于或大于预定参考差的至少一个权重作为选择的权重。

根据示例实施例，控制器可从多个权重中选择对关键尺寸具有最高灵敏度的一个权重作为选择的权重。在多个基图像中，可存在对待测量的关键尺寸具有最高灵敏度的基图像。控制器可确定分配给具有最高灵敏度的基图像的权重作为选择的权重。当选择的权重被确定时，控制器可参考存储在库中的参考数据来确定关键尺寸(S37)。在这种情况下，可通过根据权重的值映射关键尺寸的值来存储参考数据。因此，可通过将选择的权重的值与参考数据进行比较来确定待测量的关键尺寸。

图7是示意性地示出根据示例实施例的半导体测量设备的示图。

图7所示的半导体测量设备1可与上面参照图1描述的相同，图7额外示出了光瞳位置PL和光瞳共轭位置PCL。

半导体测量设备1可包括照明单元10、光学单元20、自干涉发生器30、图像传感器40和控制器50。将省略与参照图1描述的描述重复的描述。

参照图7，后焦平面可限定在物镜22的光瞳位置PL处。后焦平面可为位于物镜22的后焦距处并且垂直于光轴C的平面。

图像传感器40可设置在光瞳共轭位置PCL处，光瞳共轭位置PCL可与光瞳位置PL共轭。因此，图像可精确地形成在图像传感器40的表面上。

下文中，将参照图8更详细地描述形成在后焦平面上的图像。

图8是示出操作根据示例实施例的半导体测量设备的方法的示图。

参照图8，光可辐射至样品200的表面。

样品200的被光辐射的表面可定义为X-Y平面。光轴C可从X-Y平面的原点延伸，并且可在垂直于X-Y平面的方向上延伸。光轴C可经过邻近于样品200设置的物镜210的中心。

物镜210可包括面对样品200的正面和与样品200相对的背面。

后焦平面220可限定在距物镜210的背面的预定距离处。后焦平面220可为由第一方向D1和第二方向D2限定的平面。第一方向D1可与样品200的表面的X方向相同，第二方向D2可与样品200的表面的Y方向相同。

经过物镜210的光可在样品200的目标区上会聚为点状，并且在再次从目标区被反射之后，光可经过物镜210并且前进至后焦平面220。如上所述，在根据示例实施例的半导体测量设备中，光可以以从0度至360度的方位角入射在样品200上。入射在样品200上的光的入射角φ可根据物镜210的数值孔径确定。

在示例实施例中，半导体测量设备中采用的物镜210可具有0.9或更大并且小于1.0的数值孔径，以在单次捕获图像的操作中获取宽范围的入射角的数据。在这种情况下，经过物镜210的光的最大入射角可为65度或更大，并且可小于90度。

当在第一方向D1和第二方向D2上限定的后焦平面220中包括的坐标被表达为极坐标r和θ时，如图8所示，第一坐标r可通过入射角φ确定。第二坐标θ可为指示坐标在第一方向D1上旋转了多少的值，可等于入射在样品200上的光的方位角，并且可具有0度至360度的值。

参照上面，在根据示例实施例的半导体测量设备中，在从样品200的目标区反射光的同时执行的单次捕获图像的操作中，可以以图像的形式获取包括根据0度至360度的方位角和物镜210的数值孔径确定的入射角范围的干涉图案的数据。

因此，与使用多次捕获图像的操作的一般方法不同，在调整将光辐射在样品200上的照明单元的位置和角度或者样品自身的位置和角度的同时，根据示例实施例，可在单次捕获图像的操作中获取用于分析和测量样品200的目标区的数据。因此，利用半导体测量设备的工艺的效率可提高。

图9是示意性地示出通过根据示例实施例的半导体测量设备获取的原始图像的示图。图10A和图10B是示出通过根据示例实施例的半导体测量设备从原始图像提取的第一图像和第二图像的示图。

参照图9，原始图像300可为在单次捕获图像的操作中通过半导体测量设备中包括的图像传感器获取的图像。可在限定后焦平面的第一方向D1和第二方向D2上表达原始图像300，并且可通过光的方位角和入射角来确定上面参照图8描述的原始图像300中包括的像素的坐标。

原始图像300可包括在辐射样品之后反射的光的干涉图案。因此，可利用原始图像300获取用于通过椭圆偏光法确定样品中包括的结构的关键尺寸的第一参数Ψ和第二参数△。

根据示例实施例的半导体测量设备的控制器可从原始图像300中提取对应于第一参数Ψ的第一图像310，并且可从原始图像300中提取对应于第二参数△的第二图像320。

参照图10A和图10B，与原始图像300相似，第一图像310和第二图像320可为在第一方向D1和第二方向D2上表达的图像。

第一图像310可为其中根据入射在样品上的光的入射角和方位角来表达入射在半导体测量设备的图像传感器上的信号的强度比的图像。

第二图像320可为其中根据入射在样品上的光的入射角和方位角来表达入射在半导体测量设备的图像传感器上的信号之间的相位差的图像。

例如，两个彼此垂直的线偏振信号可通过设置在半导体测量设备中的图像传感器的前端上的偏振元件偏振45度。第一图像310可为其中根据入射角和方位角来表达通过偏振元件偏振的线偏振信号的强度比的图像。第二图像320可为其中根据入射角和方位角来表达通过偏振元件偏振的线偏振信号之间的相位差的图像。

参照图9、图10A和图10B，可在通过半导体测量设备的照明单元将具有特定波段的光辐射至样品的同时获取原始图像300和从原始图像300提取的第一图像310和第二图像320。通过照明单元辐射至样品的光的波段可为对被光辐射的样品的目标区中包括的结构的配置以及结构中的待测量的关键尺寸具有高灵敏度的波段。

在示例实施例中，照明单元可将具有预定范围的波段的光(而非具有特定波段的光)辐射至样品，并且控制器还可生成包括示出与图像相对应的波段范围内的光的干涉图案的该图像的三维数据。现在将参照图11对此进行描述。

图11是用于辅助描述操作根据示例实施例的半导体测量设备的方法的示图。

参照图11，根据示例实施例的半导体测量设备的控制器可利用从图像传感器输出的图像生成三维数据。三维数据可包括通过捕获形成在后焦平面上的图像获取的图像和可根据辐射至样品的光的波段布置的图像。因此，如图11所示，在包括限定后焦平面的第一方向D1和第二方向D2以及对应于光的波段的第三方向D3的空间中，可生成三维数据。

半导体测量设备的控制器可利用三维数据以各种方式确定样品的目标区中包括的结构的关键尺寸。例如，当已知针对结构中的待测量的关键尺寸优化的入射角和方位角时，可指定与第一方向D1和第二方向D2中的每一个上的入射角和方位角相对应的坐标。

当在第一方向D1和第二方向D2上指定的坐标被选择时，控制器可获取指示通过偏振元件在与波段相对应的第三方向D3上偏振的线偏振信号的强度比的光谱分布。在这种情况下，通过控制器获取的光谱分布可与通过以预定入射角和方位角将光辐射至样品的一般半导体测量设备生成的光谱分布相同。

在示例实施例中，可利用通过控制器获取的三维数据快速测量样品的目标区中包括的结构的关键尺寸中的每一个。

在一般半导体测量设备中，当针对测量结构的高度和宽度优化的入射角和方位角以及结构之间的间隔不同时，一般半导体测量设备可能需要在改变入射角和方位角的同时三次捕获图像。

相反，在示例实施例中，在将具有宽波段的光辐射至样品的同时，控制器可获取如图11所示的三维数据，并且可仅通过从三维数据中选择入射角和方位角来获取根据波段的光谱分布。因此，可快速测量结构的关键尺寸。

另外，在示例实施例中，控制器可从三维数据中首先选择特定波段。当波段被首先选择时，如图11所示，可获取在由第一方向D1和第二方向D2限定的平面上表达的二维图像。在示例实施例中，二维图像可为表示线偏振信号的强度比和/或相位差的图像。

控制器可将二维图像正交地分解为多个基图像，以将二维图像变换为一维数据，以便降低数据的维数并且减小容量。当二维图像被正交地分解为多个基图像时，二维图像可被表达为包括多个基图像和与多个基图像相对应的多个权重的一维数据。因此，处理数据的效率可提高，并且同时，存储从样品获取的数据所需的存储器的量可减少。现在将参照图12和图13更详细地对此进行描述。

图12是示出在根据示例实施例的半导体测量设备中执行的正交分解的示图。图13是示意性地示出通过根据示例实施例的半导体测量设备生成的一维数据的示图。

在示例实施例中，半导体测量设备的控制器可使用用于二维图像的正交分解的泽尼克多项式、勒让德多项式和埃尔米特多项式中的至少一个，以确定多个基图像。在图12示出的示例实施例中，控制器可利用泽尼克多项式将二维图像正交地分解为多个基图像400。在示例实施例中，正交分解的二维图像可为表示预定波段中的偏振信号的强度比和/或相位差的图像。

参照图12，根据泽尼克多项式的多个基图像400可根据度被分类，并且应用于正交分解的多个基图像的数量也可根据度而改变。例如，多个基图像400可根据度被划分为第一基图像410至第八基图像480，并且当度为N时，可将第一基图像至第八基图像应用于正交分解。因此，当度为N时，应用于正交分解的基图像的数量可为N×(N+1)/2。随着度增大，通过正交分解获取的一维数据与正交分解之前的二维图像之间的误差可减小。

在示例实施例中，控制器可如方程1所述正交地分解表示光的偏振分量的强度比和/或相位差的二维图像：

[方程1]

在方程1中，W可为在第一方向D1和第二方向D2上表达的二维图像，如上面参照图8所述。如参照图8所述，二维图像中包括的像素的坐标可包括与入射在样品上的光的入射角相对应的第一坐标r和与入射在样品上的光的方位角相对应的第二坐标θ。在方程1中，Z

图13是示出通过由根据示例实施例的半导体测量设备的控制器正交地分解二维图像而获取的一维数据500的曲线图。图13所示的一维数据500可被表达为以多个基图像为水平轴并且以分配给多个基图像的多个权重为竖直轴的坐标上的曲线图。

在图13所示的示例实施例中，控制器可确定用于正交分解的度为12，因此，在泽尼克多项式中限定的基图像中，二维图像可被正交地分解为第1度至第12度中包括的66个基图像。分配给66个基图像中的每一个的权重可如图13所示地确定，并且可将最小权重分配给第五基图像，可将最大权重分配给第六基图像。

控制器可使用如图13所示生成的一维数据500来确定样品的目标区中包括的结构的关键尺寸中的选择的关键尺寸。例如，当结构的关键尺寸中的选择的关键尺寸改变时，通过控制器获取的二维图像可改变。因此，通过以相同的度正交地分解二维图像而获取的一维数据也可改变。例如，随着选择的关键尺寸改变，分配给基图像中的至少一个基图像的权重可不同地呈现。

因此，控制器可将一维数据500与存储在库中的参考数据进行比较，以测量结构的关键尺寸中的选择的关键尺寸。参照图13，库可包括在以多个基图像为水平轴并且以分配给多个基图像的多个权重为竖直轴的坐标中表达的曲线图，作为参考数据。

另外，在示例实施例中，控制器可确定多个权重中的对结构中的待测量的选择的关键尺寸具有最高灵敏度的选择的权重，并且可使用选择的权重的值来确定选择的关键尺寸。可替换地，根据示例实施例，可选择对选择的关键尺寸具有等于或大于预定的第一参考值的灵敏度的至少一个权重作为选择的权重。在这种情况下，库可存储与对结构的关键尺寸具有最高灵敏度的基图像的值和分配给基图像的权重的值匹配的关键尺寸的值。

随着半导体装置的集成度提高并且其中的结构因此变得小型化，限定结构的构造和/或形状的关键尺寸的至少一部分可在工艺中彼此影响。例如，当期望结构的宽度增大时，其高度可一起增大，或者当期望宽度减小时，高度可增大。因此，选择的权重可被选择为用于对除了选择的关键尺寸之外的关键尺寸具有低灵敏度并且仅对选择的关键尺寸具有高灵敏度的基图像的权重。在示例实施例中，相对于除了选择的关键尺寸之外的关键尺寸，可选择用于具有低于与第一参考值不同的第二参考值的灵敏度的基图像的权重作为选择的权重。

图14A和图14B是用于描述操作根据比较例的一般半导体测量设备的方法的示图。

图14A和图14B所示的测量结果510和520可为通过根据比较例的半导体测量设备测量半导体装置中包括的结构的关键尺寸的结果。例如，第一测量结果510可为在35度至55度的范围内调整辐射至半导体装置的光的方位角的同时测量结构的第一关键尺寸的结果，第二测量结果520可为在70度至90度的范围内控制光的方位角的同时测量结构的第二关键尺寸的结果。在测量结果510和520中的每一个中，竖直轴可与从半导体装置反射的光的偏振分量的强度差相对应。

与根据示例实施例的半导体测量设备不同，在根据比较例的半导体测量设备中，在单次捕获图像的操作中可能不能获取覆盖全方位角和宽范围的入射角的数据。因此，如第一测量结果510和第二测量结果520所示，可能有必要通过直接改变方位角并且执行多次捕获图像的操作来获取数据。

图14A的第一测量结果510可被划分为第一组A1至第五组A5。可根据第一关键尺寸可具有的值来确定第一组A1至第五组A5。例如，第一组A1可对应于第一关键尺寸为第一值的情况，第四组A4可对应于第一关键尺寸为第四值的情况。

另外，第一组A1至第五组A5中的每一个可包括五个独立的曲线图。第一组A1至第五组A5中的每一个中包括的独立的曲线图可对应于其中的第一关键尺寸相同并且其中的第二关键尺寸不同的情况。例如，第一组A1中包括的五个独立的曲线图可与第一关键尺寸为第一值并且第二关键尺寸为第一值至第五值的情况匹配。相似地，第三组A3中包括的五个独立的曲线图可与第一关键尺寸为第三值并且第二关键尺寸为第一值至第五值的情况匹配。

参照图14A，在根据比较例的半导体测量设备中，即使在改变方位角的同时执行测量，可能也难以区分第一关键尺寸和第二关键尺寸对彼此的影响。参照图14A，在35度至55度的范围内，可最好地区分第一关键尺寸的方位角可为50度，但即使在以50度的方位角进行测量的测量结果中，由于第二关键尺寸的影响也不可能准确地确定第一关键尺寸。例如，几乎无法区分当第一关键尺寸为第二值并且第二关键尺寸为第五值时的测量结果与当第一关键尺寸为第三值并且第二关键尺寸为第三值时的测量结果。

在图14B所示的比较例中可出现相似的问题。图14B的第二测量结果520可被划分为第一组B1至第五组B5。可根据第二关键尺寸可具有的值来确定第一组B1至第五组B5。第一组B1至第五组B5中的每一个可包括指示其中的第二关键尺寸相同并且其中的第一关键尺寸不同的情况的五个独立的曲线图。

参照图14B，可最好地区分第二关键尺寸的方位角可为90度，但即使在以90度的方位角进行测量的测量结果中，由于第一关键尺寸的影响也不可能精确地确定第二关键尺寸。例如，几乎无法区分当第一关键尺寸为第四值并且第二关键尺寸为第五值时的测量结果与当第一关键尺寸为第五值并且第二关键尺寸为第四值时的测量结果。

图15A和图15B是用于描述操作根据示例实施例的半导体测量设备的方法的示图。

参照图15A和图15B，测量结果530和540可为通过根据示例实施例的半导体测量设备测量半导体装置中包括的结构的关键尺寸的结果。

可在以用于正交地分解由半导体测量设备输出的图像的多个基图像为水平轴的二维平面上表达第一测量结果530和第二测量结果540。例如，二维平面的竖直轴可对应于根据从半导体装置反射的光的偏振的强度差，并且分配给多个基图像的多个权重可由于根据反射光的偏振的强度差而改变。

图15A所示的第一测量结果530可为测量第一关键尺寸的结果，和参照图14A描述的比较例一样。第一测量结果530可被划分为与第一关键尺寸可具有的第一值至第五值相对应的第一组C1至第五组C5。另外，第一组C1至第五组C5中的每一个可包括表示其中的第二关键尺寸不同的情况的五个独立的曲线图。

参照图15A，根据从半导体装置反射的光的偏振的强度差可在第五基图像中相对于第一关键尺寸具有最高灵敏度。例如，分配给第五基图像的第五权重可极大地受第一关键尺寸影响，并且可相对较少受第二关键尺寸影响。例如，当第一关键尺寸为第一值时，在第五基图像中第一组C1可与第二组C2至第五组C5清楚地区分开。

半导体测量设备的控制器可将由图像传感器输出的原始图像分离为第一图像和第二图像，以测量半导体装置中包括的结构的关键尺寸中的第一关键尺寸。例如，第一图像可为表示从半导体装置反射的光的偏振分量的强度差的图像，第二图像可为表示从半导体装置反射的光的偏振分量的相位差的图像。例如，控制器可将第一图像正交地分解为多个基图像，并且确定分配给多个基图像的多个权重。控制器可将分配给第五基图像的第五权重与预先存储在库中的参考数据进行比较，以测量结构的第一关键尺寸。例如，当第五权重为约0.2时，控制器可确定第一关键尺寸为第一值，并且当第五权重为约-0.1时，控制器可确定第一关键尺寸为第四值。

图15B所示的第二测量结果540可为测量第二关键尺寸的结果，和参照图14B描述的比较例一样。第二测量结果540可被划分为与第二关键尺寸可具有的第一值至第五值相对应的第一组D1至第五组D5。第一组D1至第五组D5中的每一个可包括表示其中的第一关键尺寸不同的情况的五个独立的曲线图。

参照图15B，根据从半导体装置反射的光的偏振的强度差可在第一基图像中相对于第二关键尺寸具有最高灵敏度。例如，分配给第一基图像的第一权重可极大地受第二关键尺寸的影响，并且可相对较少地受第一关键尺寸的影响。参照图15B，在第二测量结果540中，可基于第一基图像最好地区分第一组D1至第五组D5中的每一个中包括的单独的曲线图。

当测量半导体装置中包括的结构的关键尺寸中的第二关键尺寸时，半导体测量设备的控制器可将由图像传感器输出的原始图像分离为第一图像和第二图像。例如，第一图像可为表示从半导体装置反射的光的偏振分量的强度差的图像，并且第二图像可为表示从半导体装置反射的光的偏振分量的相位差的图像。控制器可将第一图像正交地分解为多个基图像，并且确定分配给多个基图像的多个权重。控制器可将分配给第一基图像的第一权重与预先存储在库中的参考数据进行比较，以测量结构的第二关键尺寸。例如，当第一权重为约0.4至0.5时，控制器可确定第二关键尺寸为第五值，并且当第一权重为约0.2至0.3时，控制器可确定第二关键尺寸为第四值。

参照图15A和图15B，在示例实施例中，通过正交地分解表示从样品反射的光的偏振分量的强度差的第一图像和/或表示从样品反射的光的偏振分量的相位差的第二图像而获取的多个基图像和多个权重可用于精确地确定待从样品的结构测量的关键尺寸。具体地，在形成结构的工艺中，可仅精确地测量彼此影响的两个或更多个关键尺寸中的待测量的选择的关键尺寸，以提高半导体测量设备的性能，并且提高利用半导体测量设备的工艺的效率。

图16A和图16B是用于描述操作根据示例实施例的半导体测量设备的方法的示图。

参照图16A和图16B，曲线图550和560可以示出在参照图15A描述的第一测量结果530中第五基图像相对于第一关键尺寸和第二关键尺寸的灵敏度。

当正交地分解表示从半导体装置反射的光的偏振分量的强度差的第一图像时，可在第五基图像中出现相对于第一关键尺寸的最高灵敏度。参照图16A，当第一关键尺寸为52nm时，光的偏振分量的强度差在第五基图像中可具有约0.2的值。与第一关键尺寸不同的第二关键尺寸的改变可影响光的干涉图案，以改变由半导体测量设备的图像传感器输出的原始图像。因此，第五权重的值可限定为预定范围。类似地，当第一关键尺寸为53.5nm时，第五权重可具有约-0.1的值。

如图16A的曲线图550示出的趋势线所示，光的偏振分量的强度差可在第五基图像中相对于第一关键尺寸具有高灵敏度，并且随着第一关键尺寸的值改变，分配给第五基图像的第五权重也可极大地改变。因此，半导体测量设备的控制器可正交地分解表示光的偏振分量的强度差的第一图像，并且可将分配给作为正交分解的结果的第五基图像的第五权重与存储在库中的参考数据进行比较，以精确地测量第一关键尺寸。

从半导体装置反射的光的偏振分量的强度差可在除了第五基图像之外的基图像(例如，第一基图像)中相对于第二关键尺寸具有高灵敏度。因此，如图16B的曲线图560所示，第五基图像中的光的偏振分量的强度差可不适合用于测量第二关键尺寸。

例如，当第二关键尺寸为58nm并且表示从半导体装置反射的光的偏振分量的强度差的第一图像被正交地分解时，分配给第五基图像的第五权重可具有约0.2至约-0.2之间的值。当第二关键尺寸为58nm，第一关键尺寸为52nm，并且表示光的偏振分量的强度差的图像被正交地分解时，分配给第五基图像的第五权重可为0.2。当第二关键尺寸为58nm，第一关键尺寸为54nm，并且表示光的偏振分量的强度差的图像被正交地分解时，分配给第五基图像的第五权重可为-0.2。因此，半导体测量设备的控制器可不使用用于正交地分解第一图像的多个基图像中的第五基图像来确定第二关键尺寸。

图17A和图17B是用于描述操作根据示例实施例的半导体测量设备的方法的示图。

图17A和图17B可为示出在参照图15A描述的第一测量结果530中第一基图像相对于第一关键尺寸和第二关键尺寸的灵敏度的曲线图570和580。

当表示从半导体装置反射的光的偏振分量的强度差的第一图像被正交地分解时，可通过多个基图像和分配给多个基图像的多个权重来表达第一图像。从半导体装置反射的光的偏振分量的强度差可被表达为第一图像。当半导体装置中包括的结构的第一关键尺寸为52nm，并且第一图像被分解为多个基图像时，可将-0.4至0.4的第一权重分配给第一基图像，如图17A所示。类似地，对于第一关键尺寸的值，分配给第一基图像的第一权重可分布在相对宽的范围上。结果，可以看出，第一基图像相对于第一关键尺寸具有低灵敏度，并且半导体测量设备的控制器可不使用分配给第一基图像的第一权重来测量第一关键尺寸。

第一基图像可相对于第二关键尺寸具有高灵敏度。参照图17B，从半导体装置反射的光的偏振分量的强度差可在第一基图像中具有极大地取决于第二关键尺寸的趋势。参照图17B，当正交地分解表示从具有58nm的第二关键尺寸的结构的半导体装置反射的光的偏振分量的强度差的第一图像时，可确定对应于第一基图像的第一权重在0.35至-0.4的范围内。类似地，当正交地分解表示从具有59.5nm的第二关键尺寸的结构的半导体装置反射的光的偏振分量的强度差的第一图像时，可确定对应于第一基图像的第一权重在0.18至0.24的范围内。

总而言之，像图17B的曲线图580所示的趋势线，当正交地分解光的偏振分量的强度差时，第一基图像可相对于第二关键尺寸具有高灵敏度，并且随着第二关键尺寸的值改变，分配给第一基图像的第一权重也可显著改变。因此，根据示例实施例的半导体测量设备的控制器可正交地分解表示光的偏振分量的强度差的第一图像，并且可将分配给作为正交分解的结果的第一基图像的第一权重与存储在库中的参考数据进行比较，以精确地测量第二关键尺寸。

在参照图16A至图17B描述的示例实施例中，半导体测量设备的控制器可正交地分解表示光的偏振分量的强度差的第一图像，并且作为正交分解的结果，可获取多个基图像和分配给多个基图像的多个权重。控制器可通过以下步骤确定关键尺寸：根据待测量的关键尺寸选择多个权重之一，以及将选择的权重与库的参考数据进行比较。例如，库的参考数据可为通过根据多个权重中的每一个的值匹配关键尺寸的值而存储的数据，并且在这种情况下，多个权重中的每一个的值可不是单个值，而是可限定在预定范围内。根据示例实施例，控制器可正交地分解表示光的偏振分量的相位差的第二图像，并且可使用分配给作为正交分解的结果的多个基图像中的对待测量的关键尺寸最敏感的基图像的权重来确定关键尺寸。

通过总结和回顾的方式，椭圆偏光法可涉及以固定方位角和入射角将光辐射至样品，并且可使用从样品反射的光的光谱分布来确定样品的被光辐射的区中包括的结构的关键尺寸。随着通过半导体工艺形成的结构的关键尺寸逐渐减小，除了待测量的关键尺寸之外的关键尺寸的变化对光谱分布的影响可增大。因此，待测量的关键尺寸可能未被精确地确定。

如上所述，实施例可提供一种能够在单次捕获图像的操作中获取用于以全方位角和宽范围的入射角确定关键尺寸的数据的半导体测量设备。实施例可对获取的数据应用正交分解，以精确地确定结构的关键尺寸中的选择的关键尺寸。

根据示例实施例，可在单次捕获图像的操作中获取对应于0度至360度的方位角的原始数据，并且从原始数据提取的二维图像可被正交地分解为多个基图像，以确定分配给多个基图像的多个权重。可利用根据多个基图像的多个权重的分布和/或多个权重中的对待测量的关键尺寸具有最高灵敏度的选择的权重确定样品的区中包括的结构的关键尺寸。因此，可在改变方位角和入射角的同时仅通过单次捕获图像的操作精确地确定样品中包括的结构的关键尺寸，而不用重复地获取数据的处理。另外，可仅精确地确定待测量的关键尺寸，而不管在工艺中彼此影响的关键尺寸的相互作用如何。

本文已经公开了示例实施例，虽然使用了特定术语，但它们仅在一般和描述性意义上使用和解释，而不是为了限制。在一些情况下，如本领域普通技术人员自提交本申请起将清楚的，除非另有特别指示，否则结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独使用，或者与结合其他实施例描述的特征、特性和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求所述的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。