JP5014337B2 - 対称および反対称スキャトロメトリ信号を用いたオーバレイおよびプロファイル非対称性の測定 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、スキャトロメトリに関し、特に、対称および反対称のスキャトロメトリ信号を用いた、オーバレイ誤差およびプロファイル非対称性の測定に関する。

現在、半導体分野において、薄膜の厚さおよび光学特性、ならびに、半導体ウエハ上の周期的な構造のクリティカルディメンション（ＣＤ）およびプロファイル形状を測定するために、スキャトロメトリが利用されている。また、スキャトロメトリは、３２ｎｍ以降の技術ノードに対応したオーバレイ誤差測定を将来的に可能にする技術であると考えられている。実際、スキャトロメトリは、現在のオーバレイ測定の画像化技術を超える明らかな利点を有する。スキャトロメトリは、画像化によって分解できない素子サイズの構造を測定することができる。また、スキャトロメトリは、測定する構造のプロファイルにおけるプロセス変動および非対称性に対してロバスト性を有すると考えられている。スキャトロメトリを用いてオーバレイ誤差を測定するための装置および方法が、２００３年１２月５日に出願された米国特許出願Ｎ０．１０／７２９，８３８、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ Ｏｖｅｒｌａｙ Ｅｒｒｏｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ」に記載されており、この出願は、引用によって本願に組み込まれる。

プロファイルの非対称性を測定するための最も一般的な方法は、クリティカルディメンション測長用走査電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）およびスキャトロメトリである。ＣＤ−ＳＥＭ法は、非常に遅く費用がかかる。スキャトロメトリによるＣＤ測定の現在の実施例（プロファイルの非対称性を含め、プロファイルの特性を監視するのにも適している）は、詳細なモデリングに基づいているため、かなり時間がかかる。さらに、層状で場合によっては平坦でない膜によって隔てられた２つの回折格子（一方が他方の上部に位置する）など、複雑なプロファイルを正確にモデリングすることは、非常に困難である。かかる構造は、スキャトロメトリによるＣＤ測定で利用される単層の回折格子よりも、正確に素子の構造を反映する。

スキャトロメトリ測定は、米国特許出願Ｎｏ．１０／７２９，８３８に記載されているように、非偏光リフレクトメトリモードまたはエリプソメトリモードで実行されてよい。いずれの場合でも、オーバレイ情報は、モデリングの必要なしに抽出され、それによって、スキャトロメトリによるオーバレイ測定が、非常に効率的になる（スキャトロメトリによるＣＤ測定に比べて）。エリプソメトリ測定は、光の偏光に関する詳細な情報を含むが、これは、非偏光リフレクトメトリ測定では得られない。エリプソメトリ信号に含まれるこの追加情報により、オーバレイ誤差に対する感度が高くなるため、エリプソメトリによる技術は、非偏光リフレクトメトリよりも大幅に有利である。しかしながら、エリプソメトリ信号内にエンコードされたオーバレイ情報を抽出する方法が課題である。スキャトロメトリを用いてオーバレイ誤差を測定する従来の方法は、エリプソメトリ信号の特定の対称性（すなわち、信号が、オーバレイの偶関数であること）を利用する。専門的に言うと、この特性を有するエリプソメトリ信号は、対称な信号である。すべてのエリプソメトリ信号が対称であるとは限らない。入射する光線が格子線に垂直である一次元（１Ｄ）回折格子ターゲットの単純な例（以後、「方位角０」ケース）では、すべてのエリプソメトリ信号が対称である。入射光と格子線との間の全体的な相対方位の他の例（円錐回折）については、一部のエリプソメトリ信号が対称である。これらの例では、明確な対称性を有する信号の測定を可能にする測定方法が規定される必要がある。

したがって、１Ｄ回折格子ターゲット（円錐回折）に対する入射光線の任意の相対方位について、および、２Ｄ回折格子を含むターゲットについて、オーバレイ情報を抽出するためのエリプソメトリ、または、より一般的なスキャトロメトリによる方法が望まれている。

エリプソメータによって生成された複数の信号を用いて、半導体ウエハなどの被検査物上の２つの層構造の間のオーバレイ誤差を決定しつつ、生成された複数の信号における任意の非対称性を明らかにするためのシステムおよび方法が開示されている。一実施形態では、２以上の信号（各々は対称性の仮定を必ずしも満たさない）が、対称性の仮定を満たす合成信号に合成される。個々の信号は、２以上の検光子角度で収集される。複数の合成信号の対称性は、１Ｄ回折格子ターゲットに対する入射光線の任意の相対方位について、および、一般的な２Ｄ回折格子を含むターゲットについて、オーバレイ情報の抽出を簡単に実行できるようにする。別の実施形態では、対称性の仮定を満たす信号のみを測定するための測定方法が規定されている。随意的な実施形態は、偏光子および検光子として機能する１つの偏光素子を備える。別の随意的な実施形態は、検光プリズムを用いて、反射光の２つの偏光成分を同時に集光する。別の実施形態では、エリプソメータを用いて、構造から測定値が取得され、これらの測定値は、構造のプロファイル対称性の程度を決定するために用いられる反対称信号に合成される。

本発明の特定の実施形態を参照しつつ詳細な説明を行う。実施形態は、添付の図面に例示されている。以下では、本発明をこれら特定の実施形態と関連付けて説明するが、これは、本発明をこれらの実施形態に限定することを意図するものではない。逆に、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨および範囲内に含まれる代替物、変形物、および、均等物を網羅するよう意図されている。

本発明は、１Ｄ回折格子ターゲットに対する入射光線の任意の相対方位について、および、一般的な２Ｄ回折格子を含むターゲットについて、オーバレイ情報の抽出を簡単に実行できるように、１または複数のエリプソメトリ信号からの情報を合成するためのシステムおよび方法に関する。さらに、開示されているエリプソメトリ信号の解析は、回折格子のプロファイルについての定性的な情報を提供する。プロファイルの非対称性の程度は、さらなる測定なしに非常に少ないモデリングによって、簡単に推定できる。このプロファイル情報を用いて、ある程度、オーバレイ測定をプロファイルの特性から切り離すことができる。この望ましい能力は、オーバレイ測定（画像化およびスキャトロメトリ）の従来の方法には無いものであり、スキャトロメトリをＣＤに応用した場合にも効率を改善できる。

オーバレイターゲット
オーバレイターゲットは、１または複数のセルを備える。各セルは、２つの大きく重複した回折格子を備えており、各回折格子は、ウエハの異なる層に位置する。回折格子を備える２つの層は、１または複数の中間膜によって隔てられてよく、中間膜は、パターン化されてもパターン化されていなくてもよい。２つの回折格子を、上部回折格子および下部回折格子と呼び、オーバレイ情報は、上部および下部回折格子の間のシフトを表す。本発明の一実施形態に従って、オーバレイターゲットの一例を図１に示した。上部回折格子１２０および下部回折格子１２１は、υで示したオーバレイ量だけ、互いにずれている。

本明細書では、オーバレイターゲットから光を散乱させて、散乱光の強度を測定し、散乱光を解析してオーバレイを決定することにより、上部回折格子および下部回折格子の間のシフトを決定するための技術が開示されている。１つの方法は、非偏光を散乱させて、散乱測定ごとに１つの測定量を生成する方法である。第２の方法は、偏光を散乱させて、散乱測定ごとに２以上の測定量を生成する方法である。偏光を用いる利点は、多くの信号が利用可能になることで、大量の測定情報を生成できることと、測定のランダム誤差が低減することにより、全体的に測定精度が高くなることである。偏光を用いる他の利点は、一部の条件下で、オーバレイに対する偏光の感度が、非偏光の感度よりも大幅に高くなることである。本発明の実施形態は、エリプソメトリの設定に偏光を用いる。

オーバレイターゲットは、ターゲットを１８０°回転すると、上部および下部の回折格子の間のシフトυのサインだけが回転していないターゲットと異なるターゲットになるように構成される。一般に、受信信号は、シフトυによって決まるが、現在のスキャトロメトリのオーバレイへの応用例で用いられるアルゴリズムは、偏光を用いるか非偏光を用いるかに係わらず、すべてのスキャトロメトリ信号が、シフトの偶関数である、すなわち、信号がシフトυのサインに依存しない、ことを仮定している。以後、シフトυの偶関数を、「対称」関数と呼ぶ。対称な信号の場合には、１８０°回転した時の信号の不変性により、測定値からオーバレイを容易に抽出できる。

一般的なスキャトロメトリと同様に、エリプソメトリ設定では、対称性の仮定が無ければ、十分な精度（例えば、サブナノメートルの精度）のオーバレイ情報を得るためには、一般に、検査対象の複雑なターゲット構造の詳細なモデリングおよび／またはシミュレーションなど、よりリソース集約的な選択が必要になるため、オーバレイのサインυが変更された場合に、信号の対称性についてのいくつかの仮定を用いることが望ましい。しかしながら、エリプソメトリ応用例で対称性の仮定を用いることが望ましいが、対称な信号の仮定は、方位角０のケースには適用できるが、一般的な回折格子のケースでは適用できない。上述のように、方位角０のケースとは、一般に、一次元（１Ｄ）回折格子ターゲットに、格子線に垂直な入射光線を用いることを指し、「一般的な回折格子」のケースとは、格子線に垂直とは限らない入射光線を有する１Ｄまたは２Ｄの回折格子ターゲットを指す。したがって、本発明の実施形態は、ターゲットサイズ、ＭＡＭ時間、または、アルゴリズムの複雑さにコストを掛けることなく、一般的な回折格子のケースについて、オーバレイ情報を抽出するためのエリプソメトリシステムおよび方法に関する。本発明の実施形態の基本的な概念は、各々は対称性の仮定を必ずしも満たさない２以上の信号を取得し、それらの信号を、対称性の仮定を満たす合成信号に合成することである。

セルの全オフセットυは、２つの要因の合計である。２つの要因とは、意図的なオフセットおよびオーバレイ（存在する場合）である。意図的なオフセットは、セル内に設計されており、オーバレイは、決定されるべき未知の量である。収集された信号の任意の対称性は、全オフセットυのサインに関する。したがって、本発明の一実施形態に従ってエリプソメトリ測定を準備する際には、ターゲットは、全オフセットに寄与する意図的なオフセットをそれぞれ有する複数のセルを備えるよう設計される。

本発明の一実施形態では、４つのセルについて、複数の測定値が取得される。４つのセルから４つの信号が収集され、収集された各信号は、全部で２つの差分信号を生成するよう対にされる。すなわち、第１の２つのセルの間の差分信号と、第２の２つのセルの間の別の差分信号が生成される。最後に、２つの差分を比較することにより、ターゲットのオーバレイυが決定される。もちろん、本発明では、必要な精度および利用可能なターゲットの領域（real estate）の量に応じて、任意の適切な数のセルを用いてよい。

測定システム
図２Ａは、本発明の一実施形態に従って、エリプソメトリシステムを示す図である。システムは、照明側に「偏光子」１１１と呼ぶ偏光子を備え、集光側に「検光子」１１５と呼ぶ偏光子を備える。偏光子１１１は、連続的に回転する。検光子１１５は、回転してもよいし、特定の角度に調節されてもよい。偏光子１１１および検光子１１５は、ステッピングモータまたはサーボモータなど、１または複数のモータによって回転されてよい。図のエリプソメトリシステムを、「回転偏光子・回転検光子（ＲＰＲＡ）型」エリプソメトリシステムと呼ぶ。光源１１０から放射された入射光１１８は、回転偏光子１１１および集束光学系１１２を通り、サンプル１１３によって散乱される。本明細書では、サンプル１１３は、一般に、１または複数のオーバレイターゲットを備えた半導体ウエハを含む。光とオーバレイターゲット１１３との相互作用が、光の偏光状態を変化させる。散乱光１１９は、集光光学系１１４および回転検光子１１５を通り、検出器１１６によって検出される。検光子１１１および偏光子１１５の代わりに、回転する４分の１波長板を用いることも可能であることに注意されたい。

図２は、ＲＰＲＡ構成の別の図であり、本発明の一実施形態に従って、サンプル１１３による反射前後の光偏光状態の変化と、反射光を検出するための電荷結合素子（ＣＣＤ）とを示している。上述のエリプソメトリ構成は、例示的なものであり、一般に、エリプソメトリ構成は、米国特許出願Ｎｏ．１０／７２９，８３８に記載された構成のいずれかについて、偏光解析器の設定を変更したものであってよい。上述の出願は、参照によって本明細書に組み込まれる。検光子の設定変更は、検光子モータの制御部のファームウェア変更によって実現されてよい。ＲＰＲＡエリプソメトリシステムは、例えば、各リソグラフィ工程の後に、複数の層のオーバレイを測定するために利用することが可能であることに注意されたい。さらに、エリプソメトリ構成のいくつかの他の変形例について、以下で説明する。

偏光子１１１が連続的に回転する間に、検光子１１５側で収集された信号が、偏光子１１１の回転範囲にわたってビニングされる。例えば、収集された信号は、図３に示すように、８つのビンにビニングされてよく、各ビンは、偏光子１１１の全回転範囲３６０°の内の４５°を含む。次いで、ビニングされた量は、以下で説明するように、所望の対称性を有する１または複数の合成信号を形成するように合成される。

例えば、角度Ａに設定された検光子１１５と共に８つのビンを用いる実施形態の一例では、合計８つの量Ｓ₁（Ａ）．．．Ｓ₈（Ａ）が収集され、各量Ｓ_i（Ａ）は、検光子１１５の角度Ａにおけるビンの全強度を表す。収集された量は、合計３つの独立量（ここでは、Ｉ₀（Ａ）、α（Ａ）、および、β（Ａ）と呼ぶ）の抽出を可能にし、それら独立量の各々は、以下のように、８つの収集された「生の」量Ｓ₁（Ａ）．．．Ｓ₈（Ａ）の関数として与えられる。

さらに、偏光子１１１が回転して検光子１１５が固定される設定を仮定すると、エリプソメトリ測定から抽出できる独立量はちょうど３つであると証明可能である。これは、強度について異なったビニングを施す、および／または、測定された強度について違う組み合わせを用いることが可能であるが、最終的に得られる量は、信号Ｉ₀、α、および、βを用いて表現できることを意味する。

対称信号
本発明の全体的な概念は、２以上の検光子１５５角度で測定を実行することである。一般的な回折格子のケースでは、上述のように、対称信号を生成するために、異なる検光子１１５角度で得られた散乱強度を組み合わせる多くの方法がある。方位角０のケースにおいてオーバレイを算出するために用いられる方法は、米国特許出願Ｎｏ．１０／７２９，８３８に記載されたように、一般的な回折格子のケースにおいてオーバレイを算出するためのこれらの組み合わせのいずれについても、効果的に利用することができる。

例えば、一構成案では、偏光子１１１が回転し、２回の測定が行われる。すなわち、一方は、検光子１１５が角度Ａの状態で、他方は、検光子１１５が角度−Ａの状態で実行される。もちろん、任意の適切な数の検光子１１５角度を用いてよい。エリプソメトリ信号αおよびβ、ならびに、全反射光強度Ｉ₀は、ある波長範囲について、２つの検光子１１５角度に対して記録される。偏光の任意の波長について、信号Ｉ₀、α、および、β自体は、所望の対称性を持たないが、取得された６つの量α（Ａ）、α（−Ａ）、β（Ａ）、β（−Ａ）、Ｉ₀（Ａ）、および、Ｉ₀（−Ａ）を合成して、対称信号にすることができる。格子線に平行な入射光線を用いる１Ｄ回折格子の場合（方位角９０のケース）では、以下の式が、対称信号の例である。

正規化信号に対しては、以下の式を用いることができる。

以下では、ＲＰＲＡエリプソメトリの構成で対称信号を得る他の方法について説明する。

反対称信号
反対称の組み合わせであるα（Ａ）、α（−Ａ）、β（Ａ）、β（−Ａ）、Ｉ₀（Ａ）、および、Ｉ₀（−Ａ）、すなわち、上部および下部の回折格子の間のシフトの奇関数である組み合わせ、を構成することもできる。方位角９０の回折格子に対する反対称信号の例は、以下の通りである。

これは、以下のように正規化することができる。

以下では、ＲＰＲＡエリプソメトリの構成で反対称信号を得る他の方法について説明する。

２Ｄ回折格子の場合には、Ｘ方向のシフトの対称関数および反対称関数と、Ｙ方向のシフトの対称関数および反対称関数とを構成することが可能である。

反対称信号は、オーバレイ情報を含む。反対称信号に含まれるオーバレイ情報の１つの利用法は、以下で説明するように、対称信号から得られた情報と合成して、予測オーバレイの精度および確度を向上させることである。他の利用法では、反対称信号のみを用いて、オーバレイを測定する。後者の場合、ターゲット当たりに必要なセルの数が、対称信号の場合よりも少ないため、ターゲットのサイズとＭＡＭ時間とが低減される。例えば、１Ｄ回折格子ターゲットの場合には、１つのアルゴリズムが、シフトに関して展開したものとしてスキャトロメトリ信号のパラメータ化を含む。

ここで、υは、セル内の上部回折格子および下部回折格子の間のシフトであり、ｐは、回折格子のピッチである。この二調和展開は、Ｒが対称信号である場合のみ有効である。ターゲット内の各セルについて、シフトυは、既知の意図的なシフト（セルによって異なりうる）と、オーバレイ（ターゲット内のセルに共通する）との合計である。この式における未知数の数は、４つであり、３つの展開係数を含む。したがって、オーバレイを測定するためには、４つの測定値を４つのセルから取得すればよい。

信号が反対称である場合には、二調和展開は以下のようになる。

反対称の場合の未知数の数は、３つのみであるため、必要なセルの総数は、対称の場合に比べて１だけ低減される。

図４Ａは、本発明の一実施形態に従って、エリプソメトリ構成を用いてオーバレイを推定する方法４００の一例を示すフローチャートである。図４Ａに示した例では、偏光子（例えば、１１１）は、工程４０２で回転される。検光子（例えば、１１５）は、工程４０４で第１の角度Ａに設定される。第１のセルＣ₁については、工程４０６ａにおいて、Ｉ₀（Ａ）およびα（Ａ）が、角度Ａに設定された検光子によって、入射光の全波長に対して測定される。工程４０６ｂ−ｄにおいて、他の３つのセルＣ₂ないしＣ₄について、同様の測定が実行される。

次に、検光子は、工程４０８において、第２の角度−Ａに設定される。工程４１０ａにおいて、Ｉ₀（−Ａ）およびα（−Ａ）が、セルＣ₁に対して、角度−Ａに設定された検光子によって測定される。工程４１０ｂ−４１０ｄにおいて、セルＣ₂ないしＣ₄について、同様の測定が実行される。

工程４１２ａにおいて、セルＣ₁について測定されたＩ₀（Ａ）、α（Ａ）、Ｉ₀（−Ａ）、および、α（−Ａ）は、対称信号Ｓｉｇ₁に合成される。動作４１２ｂにおいて、第２のセルＣ₂についての測定値が、対称信号Ｓｉｇ₂に合成され、工程４１４ａにおいて、差分Ｓｉｇ₁−Ｓｉｇ₂が決定される。セルＣ₃およびＣ₄についての測定値も、それぞれ、工程４１２ｃおよび４１２ｄにおいて、対称信号Ｓｉｇ₃およびＳｉｇ₄に合成され、工程４１４ｂにおいて、差分Ｓｉｇ₃−Ｓｉｇ₄が得られる。最後に、参照によって本明細書に組み込まれた米国特許出願Ｎｏ．１０／７２９，８３８に記載されたように、工程４１６において、差分信号Ｓｉｇ₁−Ｓｉｇ₂およびＳｉｇ₃−Ｓｉｇ₄に基づいて、オーバレイυが推定される。

図４Ａの方法は例示であることに注意されたい。一般に、測定された信号は、Ｉ₀、α、および、βのいずれであってもよく、それらは、上述のように、対称信号に合成されても、反対称信号に合成されてもよい。

ＲＰＲＡエリプソメトリ
上述のように、検光子を所与の角度に固定した回転偏光子エリプソメータを用いて、３つまでの独立量を測定することができる。あるいは、検光子１１５を回転させることにより、潜在的に違う数の独立量が得られる。抽出可能な独立量の実際の数は、偏光子１１１および検光子１１５の回転速度の比に依存し、９までの独立量が測定可能である。

例えば、偏光子および検光子の回転速度の比が１：１である場合には５つ、比が２：１である場合には７つ、比が３：２である場合には９つ、などの独立量が測定可能である。しかしながら、抽出された独立量から対称信号または反対称信号を生成することは、必ずしも実行可能であるとは限らない。例えば、５つの独立量を生成する１：１の回転速度比では、構成できるのは、３つの対称量および２つの反対称量である。一方、２：１の回転速度比が７つの独立量を生成しても、２つの対称信号しか構成できず、残りの量からは、明確な対称性を有するさらなる合成信号を構成できない。同様に、９つの量を生成する３：２の比では、６つの対称信号および３つの反対称信号を抽出できる。重要な点は、これらの場合に、信号の対称性は、（方位角０および方位角９０のケースだけでなく）一般的な回折格子のケースに適用可能であり、２Ｄ回折格子ターゲットを用いたオーバレイ測定にも適している。

一般に、偏光子１１１および検光子１１５が任意の速度で回転する場合には、検出器で測定される強度は、偏光子１１１の角度Ｐと検光子１１５の角度Ａとに従って変化する成分を含む。一般に、検出される強度Ｉは、以下の形となる。

ここで、係数ｍ₁₁、ｍ₁₂、．．．、ｍ₃₃は、検査対象のサンプル１１３の３×３ミュラー行列の要素であり、ＲＰＲＡエリプソメトリは、サンプル１１３についてのオーバレイおよびＣＤの情報を抽出するために、これらの係数の大きさを測定するのに利用される。

偏光子１１１および検光子１１５が、同じ速度および等しい偏光角度で回転する場合には、興味深い特別なケースとなり、その場合には、以下のようになる。

この例では、オーバレイ情報を抽出するために、係数α₁、．．．、α₃が用いられる。

一般に、偏光子１１１および検光子１１５の回転中に特定の間隔で、測定を行うことができる。図４Ｂは、本発明の一実施形態に従って、回転する非固定の検光子を有するエリプソメトリ構成を用いてオーバレイを推定する方法４５０の一例を示すフローチャートである。すなわち、この実施形態では、検光子は、図４Ａに関連して上述したように特定の角度Ａおよび−Ａに固定されるのではなく、回転する。まず、偏光子および検光子の両方は、工程４５２において、連続的に、かつ、互いに同調して回転される。次いで、工程４５４ａにおいて、セルＣ₁からの信号が測定され、特定の数のビン（例えば、８または１６）について合計される。また、工程４５４ｂ−ｄにおいて、それぞれ、セルＣ₂、Ｃ₃、および、Ｃ₄からの信号が測定され、特定の数のビン（例えば、８または１６）について合計される。

工程４５６において、第１のセルＣ₁について測定および合計された信号は、反対称信号または対称信号Ｓｉｇ₁に合成される。動作４５６ｂにおいて、第２のセルＣ₂について測定および合計された信号が、Ｓｉｇ₂に合成され、工程４５８ａにおいて、差分Ｓｉｇ₁−Ｓｉｇ₂が決定される。同様に、セルＣ₃およびＣ₄について測定および合計された信号も、それぞれ、工程４５６ｃおよび４５６ｄにおいて、Ｓｉｇ₃およびＳｉｇ₄に合成される。次いで、工程４５８ｂにおいて、差分Ｓｉｇ₃−Ｓｉｇ₄が得られる。次に、上述のように、工程４６２において、差分信号Ｓｉｇ₁−Ｓｉｇ₂およびＳｉｇ₃−Ｓｉｇ₄に基づいて、オーバレイが決定される。

合成信号Ｓｉｇ₁ないしＳｉｇ₄は、反対称信号または対称信号を生成するために、任意の適切な方法で決定されてよい。偏光子および検光子を同じ回転数で同調して回転させ、１６のビン（強度Ｓ₁．．．Ｓ₁₆）で測定する場合には、特定のセルについての対称信号の例は、以下のようになる。

一方、反対称信号の例は、以下のようになる。

偏光子１１１および検光子１１５のモータの間の同調により、回転される偏光子１１１および検光子１１５の間の位相制御が可能になる。偏光子１１１および検光子１１５は、同じ方向に回転されても逆の方向に回転されてもよく、それらの間の位相差は、例えば、０°ないし１８０°の範囲の位相差について、制御可能である。位相差は、特定の量（ミュラー行列の要素）について、光スループットを最適化するために利用されてよい。

一般に、偏光子および検光子の回転速度の比を「オンザフライ」で変更できることにより、特定の用途、処理層、および、精度対ウエハ処理能力のトレードオフに対して、測定性能を最適化できるため、さらなるシステムの柔軟性が得られる。例えば、１：１の回転速度比によると、高い光スループットが得られ、３：２の比によると、ジョーンズ／ミュラー行列の要素をより多く抽出できる。

プロファイル非対称性の測定
反対称信号は、半導体ウエハにおける構造のプロファイルの非対称性を推定するのに有用である。例えば、単層の１Ｄ回折格子ターゲット（例えば、スキャトロメトリＣＤターゲット）では、回折格子の線に平行な入射光線（方位角０）を用いると、回折格子が、入射面に関して鏡映対称である場合には、すべての反対称信号が同じように消える。したがって、この場合には、反対称信号の有限値が、プロファイルの非対称性の指標になる。かかる測定は、定量的に較正されないが、所定のプロファイル非対称性を用いて、同様のターゲットからの光の散乱をシミュレーションすることにより、定性的に較正できる。反対称信号の測定値は、対応するシミュレーション値によって正規化されて、プロファイル非対称性の定量的な相対測定値を生成することができる。この較正処理のために実行される構造ごとのシミュレーションは、一般に、コンピュータリソース集約的ではなく（例えば、計算時間が約１秒未満であり）、実行する頻度が非常に少ない（すなわち、処理が変更される時）。したがって、プロファイル非対称性の定性的な推定値は、スキャトロメトリＣＤ測定および解析よりも、大幅に短い時間で取得できる。

信号へのプロファイル非対称性の寄与を、オーバレイの寄与からアルゴリズムで分離することによって、より複雑なスキャトロメトリオーバレイターゲットに対して、かかるプロファイル非対称性測定を実行することも可能である。例えば、これは、反対称信号の二調和展開を考慮することにより実現できる。この展開は、シフトに依存しない定数項を含まないことに注意されたい。しかしながら、回折格子の１つにプロファイルの非対称性があると、直ちに、かかる項が導入され、展開は以下のようになる。

ターゲット当たり４つのセルがある場合には、３つの展開係数、および、それによってオーバレイ、が求められる。係数αの値は、プロファイル非対称性の測定値である。上述のように、対称信号の展開は、回折格子のプロファイルが完全に対称である場合にも、有限定数項を含むため、この方法は、対称信号では実施できない。したがって、信号へのプロファイル非対称性の寄与を、オーバレイの寄与から分離できる反対称性信号を用いる。この方法の利点は、オーバレイ測定の精度が向上することと、１つのターゲットおよび１つの測定を用いて２種類の情報が同時に得られることである。

上述の定性的なプロファイル非対称性測定は、スキャトロメトリＣＤまたはプロファイル測定の用途と組み合わせることが可能である。本発明は、プロファイルの非対称性の程度に関する情報を取得するために利用可能であるが、米国特許出願Ｎｏ．１０／７２９，８３８に記載された方法などを用いて、より詳細なプロファイルの測定を実行できる。より詳細なプロファイル測定を実行すれば、本発明の実施形態を用いて得られた非対称性の程度を用いて、詳細な測定の効率を高めることができるため、有利である。例えば、所与のプロファイルの非対称性の程度を事前に知っていれば、それを用いて、（ライブラリにおいて、または、回帰的に）プロファイルの形状の検索を少数の関連するプロファイルに限定することができる。かかる非対称性の程度は、上述の技術を用いて取得できるため、本発明の実施形態は、より詳細なプロファイル測定の効率の向上に役立ちうる。層が非対称性を持たない場合には、差分信号は、オーバレイのシフトを示唆することに注意されたい。しかしながら、層が非対称性を持つ場合には、層の非対称性およびオーバレイのシフトが共に差分信号に寄与する。

別の構成
本発明の最適な実施形態では、偏光子１１１および検光子１１５は、１：１の回転速度比で逆方向に回転する。この実施形態は、異なるジョーンズ／ミュラー行列の要素の抽出と、ハードウェア設定の大幅な簡略化を可能にする。かかる構成では、図５および図６に示すように、同じ回転偏光子体１３１が、入射光線のための偏光子としても、反射光線のための検光子としても機能する。この構成は、もとより、回転する偏光子および検光子の間で完全な同調を有する。かかる実施形態では、屈折型または反射型の集束光学系を用いることができる。図５は、屈折型集束光学系１３２を用いた一実施形態を示し、図６は、反射型集束光学系１３３を用いた一実施形態を示す。

本発明の別の最適な実施形態では、さらなる分光検出チャネルが追加され、検光ビーム分割プリズムの偏光成分の両方が収集され、それらのスペクトルが同時に記録される。図７は、かかる実施形態の一例を示す図である。サンプル１１３から反射された光は、光学系１４１および１４３によって集光され、検光プリズム１４４に入射する。原理的に、任意の形態の検光プリズムを利用できるが、好ましい実施形態は、偏位のない常光線と異常光線とを生成する適切な材料のロションプリズムを備える。検光プリズム１４４は、異常光線に対して有色（chromatic）であるため、分散を逆転させて、光線をほぼ無彩色の状態に「崩壊させる（collapse）」ために、検光プリズム１４４の後に補正プリズムが用いられてよい。これは、ファイバまたは分散分光器への最適な集光に好ましい。図７は、かかる補正プリズムを図示していないことに注意されたい。補正ウェッジが、異常光線の光路内で、対物レンズ１４７の直前に配置される。紫外線−赤外線（ＵＶ−ＩＲ）の広帯域での利用については、溶融石英またはサファイア補正プリズムが用いられてよい。

検光プリズム１４４を通る光は、２つの光線に分割される。すなわち、常光線と異常光線とに分割され、それぞれ、検出器１４５および１４６で集光される。２つの光線の偏光は、互いに直交する。したがって、２つの光線を集光することは、間に９０°の差分がある検光子１１５の２つの角度で測定を行うことに等しい。検光プリズム１４４は、２つの等価な検光子角度が＋４５°および−４５°になるように配置されてよい。これは、２つの角度Ａおよび−Ａでの測定する場合である。この実施形態は、回転偏光子エリプソメータ（または、分光エリプソメータ）の光学構成において、固定された検光子からの常光線および異常光線の同時検出を利用する。

その利点は、検出される光子の量が倍になることにより、全体的な性能が（すなわち、精度および／またはスループット）が改善される点である。

上述のものに加えて、本発明の実施形態は、適切な集光開口関数を用いた集光の非対称（または異方性）の開口数のための機構を用いる。集光開口は、トップハットすなわち「ｒｅｃｔ（ｘ，ｙ）」関数、または、ｃｏｓ（ｘ）ｃｏｓ（ｙ）などの任意の適切なアポダイジングプロファイル、もしくは、方形関数および減衰プロファイル（テーパー関数）の組み合わせ、であってよい。極および方位散乱成分の重み付けを調整するように集光関数を生成することは、円錐回折（または、反射率の交差項）の量を制限することが望ましい場合の一部の回折構造に有用である。

以上に記載した本発明の実施形態は、例示および説明のためのものである。それらは、記載したそれらの形態に本発明を限定することを意図するものではない。例えば、エリプソメトリに関連して本明細書に記載した方法の多くは、偏光反射率測定にも同様に適用できる。上述の教示から他の変形例および実施形態が可能であり、本発明の範囲は、詳細な説明によっては限定されず、特許請求の範囲によって規定される。

本発明の一実施形態に従って、オーバレイターゲットの一例を示す図。 本発明の一実施形態に従って、エリプソメトリシステムを示す図。 本発明の一実施形態に従って、回転偏光子・回転検光子構成を示す図。 本発明の一実施形態に従って、偏光子の回転範囲を網羅する８つの集光ビンのセットの一例を示す図。 本発明の一実施形態に従って、エリプソメトリ構成を用いてオーバレイを推定する方法の一例を示すフローチャート。 本発明の第２の実施形態に従って、エリプソメトリ構成を用いてオーバレイを推定する方法の一例を示すフローチャート。 本発明の別の実施形態に従って、屈折型集束光学系と偏光子と検光子とを用いたエリプソメトリ構成を示す図。 本発明の別の実施形態に従って、反射型集束光学系と偏光子と検光子とを用いたエリプソメトリ構成を示す図。 本発明の別の実施形態に従って、検光ビーム分割プリズムの偏光成分の両方が集光されるエリプソメトリ構成を示す図。

Claims (25)

1. サンプルの第１の層における複数の第１の構造と、前記サンプルの第２の層における複数の第２の構造との間のオーバレイの誤差を推定するためのエリプソメトリの方法であって、
   前記サンプルに前記第１および第２の構造の一部をそれぞれ含む複数のセルを準備し、各セルは、自身が含む第１の構造の一部と第２の構造の一部との間にオフセットを有するよう設計され、
   回転する偏光子を用いて、電磁放射を前記各セルに照射し、
   検光子を複数の偏光角度に設定して複数の測定値を取得し、前記複数の測定値は、前記検光子が前記複数の偏光角度に設定された状態で反射された放射強度を含み、
   前記複数の測定値を前記セルの各々についての各合成信号に合成して、前記各合成信号を前記第１および第２の構造の間における前記オフセットと前記オーバレイの合計である全シフトの奇関数とし、
   前記各合成信号に基づいて、前記第１の構造と前記第２の構造との間の任意のオーバレイの誤差を推定すること、
   を備える、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記測定値は、連続的に回転する検光子によって取得される、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記検光子は、前記偏光子と同じ方向に回転する、方法。
4. 請求項２に記載の方法であって、前記検光子は、前記偏光子と逆の方向に回転する、方法。
5. 請求項２から４のいずれかに記載の方法であって、ステッピングモータまたはサーボモータを用いて、前記偏光子および前記検光子を回転させる、方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記ステッピングモータまたはサーボモータを同調させることで、前記偏光子と前記検光子との間の回転位相制御を可能にし、前記検光子および前記偏光子は、同じ方向または逆の方向に回転される、方法。
7. 請求項２から４のいずれかに記載の方法であって、前記偏光子および前記検光子の回転速度の比は、調節可能である、方法。
8. 請求項２から４のいずれかに記載の方法であって、前記偏光子および前記検光子は、一体的に回転する同じ構成要素を形成する、方法。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の方法であって、前記セルは、３以上のセルを含む、方法。
10. 請求項１から８のいずれかに記載の方法であって、任意のオーバレイの誤差の推定は、
    第１のセルからの第１の合成信号と、第２のセルからの第２の合成信号との間の第１の差分信号Ｓｉｇ₁−Ｓｉｇ₂を決定し、
    第３のセルからの第３の合成信号と、第４のセルからの第４の合成信号との間の第２の差分信号Ｓｉｇ₃−Ｓｉｇ₄を決定し、
    前記第１および第２の差分信号に基づいて、線形近似を実行することにより、任意のオーバレイの誤差を決定することを含む、方法。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の方法であって、前記複数の測定値は、前記サンプルのジョーンズまたはミュラー行列の１または複数の要素を含む、方法。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の方法であって、前記サンプルは、半導体ウエハ内に存在し、前記複数の第１および第２の構造は、半導体素子を含む、方法。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載の方法であって、前記複数の偏光角度は、第１の角度Ａおよび第２の角度−Ａからなり、前記複数の測定値は、前記検光子が前記角度Ａおよび−Ａに設定された状態で取得される、方法。
14. 請求項１から１２のいずれかに記載の方法であって、各測定値は、前記複数の偏光角度の内の特定の角度の範囲にわたって取得された測定値の合計を含む、方法。
15. 請求項１４に記載の方法であって、８つの異なる角度範囲にわたって８つの測定値合計が取得される、方法。
16. 請求項１４に記載の方法であって、１６の異なる角度範囲にわたって１６の測定値合計が取得される、方法。
17. 請求項１から１６のいずれかに記載の方法であって、前記複数の測定値は、偏光子からの常光線および異常光線を用いて取得されることで、２つの偏光角度からの信号が同時に取得される、方法。
18. サンプルの第１の層における複数の第１の構造と、前記サンプルの第２の層における複数の第２の構造との間のオーバレイの誤差を推定するためのシステムであって、
    回転する偏光子を用いて、電磁放射を前記サンプル上における複数のセルに照射し、
    検光子を複数の偏光角度に設定して複数の測定値を取得し、前記測定値は、前記検光子が前記複数の偏光角度に設定された状態で反射された放射強度を含み、
    前記複数の測定値を前記セルの各々についての各合成信号に合成して、前記各合成信号を前記第１および第２の構造の間におけるオーバレイの合計である全シフトの奇関数とするためのエリプソメトリ部と、
    前記各合成信号に基づいて、前記第１の構造と前記第２の構造との間の任意のオーバレイの誤差を推定するために動作可能な演算部と、
    を備える、システム。
19. 請求項１８に記載のシステムであって、前記複数の測定値は、連続的に回転する検光子によって取得される、システム。
20. 請求項１９に記載のシステムであって、前記偏光子および前記検光子は、一体的に回転する同じ構成要素を形成する、システム。
21. 請求項１８から２０のいずれかに記載のシステムであって、前記複数のセルは、３以上のセルを含む、システム。
22. 請求項１８から２１のいずれかに記載のシステムであって、任意のオーバレイの誤差の推定は、
    第１のセルからの第１の合成信号と、第２のセルからの第２の合成信号との間の第１の差分信号Ｓｉｇ₁−Ｓｉｇ₂を決定し、
    第３のセルからの第３の合成信号と、第４のセルからの第４の合成信号との間の第２の差分信号Ｓｉｇ₃−Ｓｉｇ₄を決定し、
    前記第１および第２の差分信号に基づいて、線形近似を実行することにより、任意のオーバレイの誤差を決定することを含むシステム。
23. サンプルの構造のプロファイル非対称性を測定するためのエリプソメトリの方法であって、
    ａ）回転する偏光子を用いて、電磁放射を構造に照射し、
    ｂ）検光子を複数の偏光角度に設定して複数の測定値を取得し、前記複数の測定値は、前記検光子が前記複数の偏光角度に設定された状態で反射された放射強度を含み、
    ｃ）前記複数の測定値を、合成信号に合成して、前記合成信号を奇関数とし、
    ｄ）前記合成信号に基づいて、前記構造のプロファイル非対称性の程度を決定すること、
    を備える、方法。
24. 請求項２３に記載の方法であって、第１の層の第１の構造および第２の層の第２の構造の一部をそれぞれ含む複数のセルに対して、前記（ａ）から（ｄ）が実行され、各セルは、自身が含む第１の構造と第２の構造との間のオフセットを有するよう設計され、プロファイル非対称性の程度の決定は、前記複数の測定値へのプロファイル非対称性の寄与を、前記測定値へのオーバレイの寄与から分離することを含む、方法。
25. 請求項２４に記載の方法であって、さらに、
    前記複数の信号と、前記決定されたプロファイル非対称性とに基づいて、前記第１の構造と前記第２の構造との間の任意のオーバレイの誤差を推定することを備える、方法。

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