改善的椭偏测量超薄膜的方法和装置制造方法及图纸

一种进行超薄膜的椭偏测量的方法，包括导向入射到样品表面上的偏振光束，接收来自所述样品表面的初始反射光束，并一次或多次再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上，以产生最终的反射光束。通过检偏器在探测器处接收所述最终的反射光束，以确定所述超薄膜的特征。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及半导体器件制造，更具体地说，涉及改善的椭偏测量超薄膜的方法和装置。
技术介绍
椭偏测量是利用偏振光探测样品特性的光学技术。椭偏测量的一个最常见的应用是分析薄膜。通过与样品相互作用的光的偏振态的分析，椭偏测量可得到关于该膜特性的特定信息。例如，根据关于样品的已知信息，该技术可探测到包括层厚度、折射率、形态，或者化学组分的特性范围。一般地，光学椭偏测量可定义为偏振光波状态的测量。当与样品相互作用时，椭偏仪测量光的偏振态的变化。虽然有时也采用透射椭偏仪，但最常用的椭偏仪的配置是反射椭偏仪。如果从样品表面斜入射的已知方位的线性偏振光被反射或透射，则产生的光变成椭圆偏振光。椭圆的形状和方位取决于入射角、入射光的偏振方向、入射光的波长，以及表面的菲涅耳特性。测量光的偏振，以用于确定样品的特定特征。例如，在一个常规消光椭偏仪中，可用四分之一波片及其后的检偏器测量反射光的偏振。改变四分之一波片和检偏器的方位，直至没有光通过检偏器(即达到消光)。根据这些方位以及入射光的偏振方向，可计算出从表面反射的光的偏振态的说明，从而推导出样品特性。椭偏测量的两个特征使其在半导体制造领域中的应用尤其具有吸引力。首先，由于椭偏测量是非破坏性的技术，其适于在原处观察样品。其次，该技术极其灵敏，因为在特定情况下，可测量得到小至亚单层原子或分子的膜的细微变化。因此，椭偏测量已广泛用于例如物理、化学、材料科学、生物、冶金工程以及生物医学工程等领域。然而，同时，微电子制造的进展正迅速超过计量学的当前能力。为了使未来时代的微电子能够继续按比例缩小，特定计量学的能力的进展也必须符合例如在亚微米的横向尺寸上测量超薄膜(例如约小于等于20埃的厚度)的特性的能力的要求。然而，现有的椭偏测量系统在测量和辨别具有变化的光学特性的超薄膜的特定特征(例如折射率、厚度等)方面存在困难。过去，对于例如所采用的介质材料是例如氧化物或氮化物材料的栅介质的薄膜来说，已假定特定的光学特性(例如材料组分)。然而，随着更先进的超薄栅介质的采用，关于介质材料的组分的传统假定在用于椭偏测量时不再可靠。具体地说，这些超薄膜在入射光束上没有产生足够的相移以充分辨别膜厚和膜组分。因此，存在改善常规椭偏测量技术的需要，以能够可靠地得到对先进超薄膜的希望测量。
技术实现思路
通过一种进行超薄膜的椭偏测量的方法，克服或减轻了现有技术的上述缺点和不足。在一个代表性实施例中，该方法包括导向入射到样品表面上的偏振光束，接收来自所述样品表面的初始反射光束，并一次或多次再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上，以产生最终的反射光束。通过检偏器在探测器处接收所述最终的反射光束，以确定所述超薄膜的特征。在另一个实施例中，提供了一种确定在半导体衬底上形成的超薄膜的膜厚和组分的方法，包括导向入射到所述超薄膜表面上的偏振光束，并接收来自所述超薄膜表面的初始反射光束。所述初始反射光束具有相对于所述入射到所述超薄膜表面的光束的相移。多次重复再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上，其中所述相移随着每次所述重复增大，以产生最终的反射光束。通过检偏器在探测器处接收所述最终的反射光束，以确定所述超薄膜的所述膜厚和组分。在又一个实施例中，提供了一种确定超薄膜的特征的椭偏测量装置，包括光源和起偏器，配置为导向入射到样品表面上的偏振光束。所述装置还包括接收来自所述样品表面的初始反射光束并且一次或多次再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上以产生最终的反射光束的部件。检偏器配置为接收通过其的所述最终的反射光束，以及探测器配置为确定所述超薄膜的特征。附图说明参考代表性附图，其中在各图中相同部件的标号相同图1是现有的反射椭偏仪装置的示意性图示；图2是根据本专利技术的实施例具体配置为反复导向初始反射光返回到超薄膜表面上的椭偏仪装置的示意性图示；以及图3是图2的椭偏仪装置的替换实施例的示意性图示。具体实施例方式在此公开的是改善的椭偏测量方法和装置，该方法和装置有助于在例如用于先进半导体制造中的超薄膜的测量和表征。简要地说，通过反复导向初始反射光束返回到样品上，以累积地增大由超薄膜产生的相移效应，本专利技术实施例克服了具有极小的相移信息的缺点。这样，反复反射的光束的累积的相移信息提供了感兴趣的测量参数的精确性和可靠性的提高。应理解，在下文中所述的实施例不仅可应用于半导体制造领域，也可应用于其它测量和分析超薄膜的领域。首先参考1，示出了用于在样品102上进行椭偏测量的现有反射椭偏仪装置100的示意性图示，其中在衬底106上形成超薄层104。如图所示，装置100包括起偏器部分108和检偏器部分110。起偏器部分108包括光源112，例如激光器(例如632.8nm的氦/氖激光器或者650-680nm的半导体二极管激光器)，以及为入射光束116提供偏振态的起偏器114，该入射光束116相对于样品110的表面成非垂直角度(例如，相对于样品表面平面约20°，或者相对于表面平面的法线约70°)。入射光束116典型地为在平行和垂直于表面平面的方向上具有有限场分量Ep和Es的线偏振(如图1所示)。(然而，在其它系统中，入射光束116也可以是椭圆偏振光或圆偏振光。)根据菲涅耳公式，由于超薄层104的特性，一旦入射光束116反射离开样品102的超薄层104，反射光束118的初始线偏振就改变为轻微的椭圆偏振。然后用椭偏仪装置100的检偏器部分110检偏反射光束118。具体地说，检偏器部分110包括检偏器120(例如，通常与第一起偏器114交叉的第二起偏器)以及探测器122。为了测量反射光束的偏振，操作员可改变起偏器114、检偏器120和/或其它附加光学组件的角度，直至探测到最小信号。例如，如果由样品102反射的光118是线偏振，同时设置检偏器120以使仅允许具有与入射偏振垂直的偏振的光通过，则探测到最小信号。因此，如果满足最小条件，检偏器120的角度与反射光118的偏振方向相关。将装置“转”至该消光条件(例如，通常在计算机控制下自动完成)，并且利用起偏器114、检偏器120的位置，以及光116相对于样品表面的平面的入射角度，计算椭偏测量的基本量，即所谓的(Ψ，Δ)对，其由以下表达式给出tanΨ(ejΔ)=RpRs]]>其中Rp和Rs分别是偏振光的横磁波和横电波的复菲涅耳反射系数。因此，由椭偏测量对(Ψ，Δ)，可确定薄膜的厚度和折射率。也应认可，也可能采用各种其它的检偏反射光的方法。例如，一种可能的替换将改变检偏器120的角度，以采集偏振信息。然而，如上所述，超薄膜相对于入射光束产生非常小的相移。因为测量的膜特征(厚度和光学特性)是基于由超薄膜104产生的相移的程度，由于该极小的相移，图1的椭偏仪装置100不适于超薄膜的可靠表征。因此，根据本专利技术的实施例，图2示出了椭偏仪装置200，具体配置为利用保持初始反射光的相移的反射部件，反复导向初始反射光返回到超薄膜表面上。以这种方式，多次传送将累积地增大相移，以使其可更有把握地得以测量。此外，可引入提供附加信息的入射角度和方位变化，在典型的椭偏仪或光谱椭偏仪中通常没有该附加信息。更具体地说，椭偏仪装置200包括多个在检偏器120之前的光路中配置的反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种进行超薄膜的椭偏测量的方法，包括以下步骤：导向入射到样品表面上的偏振光束；接收来自所述样品表面的初始反射光束，并一次或多次再次导向所述初始反射光束返回到所述样品表面上，以产生最终的反射光束；以及通过检偏器在探测器 处接收所述最终的反射光束，以确定所述超薄膜的特征。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：C斯特罗基亚里韦拉，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]