使用有效介质近似的多层膜度量

摘要

本发明提供一种包含控制器的度量系统，所述控制器经耦合到用于基于来自多层膜堆叠的照明光束的反射而生成检测信号的检测器。所述多层膜堆叠可包含具有两种或更多种材料的重复图案的一或多个区域。所述控制器可通过使用使所述区域的所述有效介电常数值与构成材料的介电常数值及体积分率相关的有效介质模型来将所述区域建模为具有区域厚度及有效介电常数值的厚膜而生成所述照明光束的反射模型。所述控制器可进一步使用基于所述有效介质模型的所述检测信号的回归来确定所述区域厚度及所述体积分率的值且进一步基于膜数、所述区域厚度、所述体积分率及所述有效介电常数值来确定所述构成材料的平均厚度值。

权利要求

1.一种度量系统，其包括：

控制器，其通信地耦合到经配置以基于来自多层膜堆叠的照明光束的反射而生成检测信号的检测器，其中所述多层膜堆叠包含具有安置成重复样式的两种或更多种材料组合物的一或多个区域，其中已知所述一或多个区域内的每种材料组合物的层数，所述控制器包含经配置以执行程序指令的一或多个处理器，所述程序指令引起所述一或多个处理器：通过使用有效介质模型来将所述多层膜堆叠的重复层的所述一或多个区域建模为具有区域厚度及有效介电常数值的厚膜而对所述多层膜堆叠对所述照明光束的反射进行建模，其中所述有效介质模型使所述一或多个区域的所述有效介电常数值与所述一或多个区域内的所述两种或更多种材料组合物的介电常数值及所述两种或更多种材料组合物的体积分率相关；

使用基于所述有效介质模型的所述检测信号的回归来确定所述区域厚度及所述体积分率的值；且

基于具有所述两种或更多种材料组合物中的每一者的层数、所述区域厚度、所述体积分率及所述有效介电常数值来确定所述一或多个区域内的所述两种或更多种材料组合物的平均厚度值。

2.根据权利要求1所述的度量系统，其中所述多层膜堆叠进一步包含一或多个非重复层，其中所述一或多个处理器进一步经配置以执行程序指令，所述程序指令引起所述一或多个处理器：

使用基于所述有效介质模型的所述检测信号的所述回归来确定所述一或多个非重复层的厚度的值。

3.根据权利要求2所述的度量系统，其中所述一或多个非重复层包括：重复层的两个区域之间的顶层、底层或中间层中的至少一者。

4.根据权利要求1所述的度量系统，其中所述有效介质模型包括：单轴膜模型。

5.根据权利要求4所述的度量系统，其中所述体积分率包括：与正常分散相关联的第一组体积分率及与异常分散相关联的第二组体积分率。

6.根据权利要求1所述的度量系统，其中所述检测信号包括：反射测量术、散射测量术或椭圆测量术检测信号中的至少一者。

7.根据权利要求1所述的度量系统，其中所述照明光束的照明源包括：窄带照明源。

8.根据权利要求1所述的度量系统，其中所述照明光束的照明源包括：宽带照明源。

9.根据权利要求1所述的度量系统，其中所述检测器包括：光谱检测器，其中所述检测信号包括光谱反射测量术或光谱椭圆测量术检测信号中的至少一者。

10.根据权利要求1所述的度量系统，其中所述照明光束的波长比所述两种或更多种材料组合物的厚度高至少一个数量级。

11.根据权利要求1所述的度量系统，其中所述照明光束的波长包含紫外线、可见光或红外线波长中的至少一者。

12.一种度量系统，其包括：照明源，其经配置以生成照明光束；

一或多个照明光学元件，其经配置以将所述照明光束引导到多层膜堆叠，其中所述多层膜堆叠包含具有安置成重复样式的两种或更多种材料组合物的一或多个区域，其中已知所述一或多个区域内的每种材料组合物的层数；

一或多个收集光学元件，其经配置以响应于所述照明光束而捕获来自所述多层膜堆叠的反射光；

检测器，其用于基于由所述一或多个收集光学元件捕获的所述光而生成检测信号；及控制器，其通信地耦合到所述检测器，所述控制器包含经配置以执行程序指令的一或多个处理器，所述程序指令引起所述一或多个处理器：通过使用有效介质模型来将所述多层膜堆叠的重复层的所述一或多个区域建模为具有区域厚度及有效介电常数值的厚膜而对所述多层膜堆叠对所述照明光束的反射进行建模，其中所述有效介质模型使所述一或多个区域的所述有效介电常数值与所述一或多个区域内的所述两种或更多种材料组合物的介电常数值及所述两种或更多种材料组合物的体积分率相关；

使用基于所述有效介质模型的所述检测信号的回归来确定所述区域厚度及所述体积分率的值；且

基于具有所述两种或更多种材料组合物中的每一者的层数、所述区域厚度、所述体积分率及所述有效介电常数值来确定所述一或多个区域内的所述两种或更多种材料组合物的平均厚度值。

13.根据权利要求12所述的度量系统，其中所述多层膜堆叠进一步包含一或多个非重复层，其中所述一或多个处理器进一步经配置以执行程序指令，所述程序指令引起所述一或多个处理器：

使用基于所述有效介质模型的所述检测信号的所述回归来确定所述一或多个非重复层的厚度的值。

14.根据权利要求13所述的度量系统，其中所述一或多个非重复层包括：重复层的两个区域之间的顶层、底层或中间层中的至少一者。

15.根据权利要求12所述的度量系统，其中所述有效介质模型包括：单轴膜模型。

16.根据权利要求15所述的度量系统，其中所述体积分率包括：与正常分散相关联的第一组体积分率及与异常分散相关联的第二组体积分率。

17.根据权利要求12所述的度量系统，其中所述检测信号包括：反射测量术、散射测量术或椭圆测量术检测信号中的至少一者。

18.根据权利要求12所述的度量系统，其中所述照明源包括：窄带照明源。

19.根据权利要求12所述的度量系统，其中所述照明源包括：宽带照明源。

20.根据权利要求12所述的度量系统，其中所述检测器包括：光谱检测器，其中所述检测信号包括光谱反射测量术或光谱椭圆测量术检测信号中的至少一者。

21.根据权利要求12所述的度量系统，其中所述照明光束的波长比所述两种或更多种材料组合物的厚度高至少一个数量级。

22.根据权利要求12所述的度量系统，其中所述照明光束的波长包含紫外线、可见光或红外线波长中的至少一者。

23.一种用于确定多层膜的层厚度的方法，所述方法包括：测量从多层膜堆叠反射的光以生成检测信号，其中所述多层膜堆叠包含具有安置成重复样式的两种或更多种材料组合物的一或多个区域，其中已知所述一或多个区域内的每种材料组合物的层数；

通过使用有效介质模型来将所述多层膜堆叠的重复层的所述一或多个区域建模为具有区域厚度及有效介电常数值的厚膜而对所述多层膜堆叠对所述光的反射进行建模，其中所述有效介质模型使所述一或多个区域的所述有效介电常数值与所述一或多个区域内的所述两种或更多种材料组合物的介电常数值及所述两种或更多种材料组合物的体积分率相关；

使用基于所述有效介质模型的所述检测信号的回归来确定所述区域厚度及所述体积分率的值；及

基于具有所述两种或更多种材料组合物中的每一者的层数、所述区域厚度、所述体积分率及所述有效介电常数值来确定所述一或多个区域内的所述两种或更多种材料组合物的平均厚度值。

说明书

使用有效介质近似的多层膜度量

[0001] 相关申请案的交叉参考

[0002] 本申请案依据35U.S.C.§119(e)主张2017年7月25日申请的命名马克·阿伦·内尔(Mark Allen NeilA)、米哈伊尔·苏切克(Mikhail Sushchik)及娜塔莉亚·马尔科娃
Natalia Malkova为发明者的标题为“采用有效介质近似的3D闪光膜测量(3DFlash Film 
Measurement Employing an Effective Media Approximation)”的第62/536,880号美国
临时申请案的权利，所述案的全部内容以引用方式并入本文中。

技术领域

[0003] 本发明一般来说涉及膜度量且更特定来说，涉及多层膜堆叠的测量。

背景技术

[0004] 生产线通常并入代表性样本及/或样本上的位置上的度量测量以监测过工艺变动且确保制造保持在质量公差内。因此，通常精心设计定义度量测量的次数、位置及频率的度
量配方以平衡度量测量的精度、代表性度量测量的次数及测量处理量以在合理时间段内实
现所要水平的制造精度。因此，度量处理量是半导体度量系统中的关键考虑因素且度量处
理量的增大可促成半导体工艺的更严格工艺控制及/或增加的总生产处理量。

[0005] 多层膜堆叠(例如但不限于三维(3D)快闪存储器装置)提出可能限制度量处理量的特定挑战，这是因为通常不直接特性化每一层。例如，多层膜度量通常依赖于建模以从测
量提取所关注参数(例如，平均膜厚度等)。因此，可期望提供一种用于有效多层度量的系统
及方法。

发明内容

[0006] 揭示一种根据本发明的一或多个说明性实施例的度量系统。在一个说明性实施例中，所述系统包含控制器，所述控制器经耦合到用于基于来自多层膜堆叠的照明光束的反
射而生成检测信号的检测器。在另一说明性实施例中，多层膜堆叠包含具有安置成重复图
案的两种或更多种材料组合物的一或多个区域，其中已知一或多个区域内的每种材料组合
物的层数。在另一说明性实施例中，控制器通过使用使一或多个区域的有效介电常数值与
一或多个区域内的两种或更多种材料组合物的介电常数值及两种或更多种材料组合物的
体积分率相关的有效介质模型来将多层膜堆叠的重复层的一或多个区域建模为具有区域
厚度及有效介电常数值的厚膜而对多层膜堆叠对照明光束的反射进行建模。在另一说明性
实施例中，控制器使用基于有效介质模型的检测信号的回归来确定区域厚度及体积分率的
值。在另一说明性实施例中，控制器基于具有两种或更多种材料组合物中的每一者的膜数、
区域厚度、体积分率及有效介电常数值来确定一或多个区域内的两种或更多种材料组合物
的平均厚度值。

[0007] 揭示一种根据本发明的一或多个说明性实施例的度量系统。在一个说明性实施例中，所述系统包含用于生成照明光束的照明源。在另一说明性实施例中，所述系统包含经配
置以将照明光束引导到多层膜堆叠的一或多个照明光学元件。在另一说明性实施例中，多
层膜堆叠包含具有安置成重复图案的两种或更多种材料组合物的一或多个区域，其中已知
一或多个区域内的每种材料组合物的层数。在另一说明性实施例中，所述系统包含经配置
以响应于照明光束而捕获来自多层膜堆叠的反射光的一或多个收集光学元件。在另一说明
性实施例中，所述系统包含用于基于由一或多个收集光学元件捕获的光而生成检测信号的
检测器。在另一说明性实施例中，所述系统包含控制器。在另一说明性实施例中，控制器通
过使用使一或多个区域的有效介电常数值与一或多个区域内的两种或更多种材料组合物
的介电常数值及两种或更多种材料组合物的体积分率相关的有效介质模型来将多层膜堆
叠的重复层的一或多个区域建模为具有区域厚度及有效介电常数值的厚膜而对多层膜堆
叠对照明光束的反射进行建模。在另一说明性实施例中，控制器使用基于有效介质模型的
检测信号的回归来确定区域厚度及体积分率的值。在另一说明性实施例中，控制器基于具
有两种或更多种材料组合物中的每一者的膜数、区域厚度、体积分率及有效介电常数值来
确定一或多个区域内的两种或更多种材料组合物的平均厚度值。

[0008] 揭示一种根据本发明的一或多个说明性实施例的用于确定多层膜的层厚度的方法。在一个说明性实施例中，所述方法包含测量从多层膜堆叠反射的光以生成检测信号。在
另一说明性实施例中，多层膜堆叠包含具有安置成重复图案的两种或更多种材料组合物的
一或多个区域，其中已知一或多个区域内的每种材料组合物的层数。在另一说明性实施例
中，所述方法包含通过使用使一或多个区域的有效介电常数值与一或多个区域内的两种或
更多种材料组合物的介电常数值及两种或更多种材料组合物的体积分率相关的有效介质
模型来将多层膜堆叠的重复层的一或多个区域建模为具有区域厚度及有效介电常数值的
厚膜而对多层膜堆叠对光的反射进行建模。在另一说明性实施例中，所述方法包含使用基
于有效介质模型的检测信号的回归来确定区域厚度及体积分率的值。在另一说明性实施例
中，所述方法包含基于具有两种或更多种材料组合物中的每一者的膜数、区域厚度、体积分
率及有效介电常数值来确定一或多个区域内的两种或更多种材料组合物的平均厚度值。

[0009] 应了解，上文一般描述及下文详细描述两者仅为实例性的及说明性的，且不一定限制如所主张的发明。并入本说明书中且构成本说明书的部分的附图说明本发明的实施例
且连同概述一起用来说明本发明的原理。

附图说明

[0010] 所属领域技术人员可参考附图更佳地理解本发明的众多优点，其中：

[0011] 图1A是说明根据本发明的一或多个实施例的半导体装置制造系统的概念视图。

[0012] 图1B是说明根据本发明的一或多个实施例的度量工具的概念视图。

[0013] 图1C是说明根据本发明的一或多个实施例的配置有单个照明及收集光学元件的度量工具的概念视图。

[0014] 图2是说明根据本发明的一或多个实施例的在用于确定多层膜的层厚度的方法中执行的步骤的流程图。

[0015] 图3A是根据本发明的一或多个实施例的包含重复膜层的多层膜堆叠的侧视图。

[0016] 图3B是根据本发明的一或多个实施例的包含重复膜层、顶层及底层的多层膜堆叠的侧视图。

[0017] 图3C是根据本发明的一或多个实施例的包含通过非重复层分离的重复膜层的两个区域的多层膜堆叠的侧视图。

[0018] 图4包含根据本发明的一或多个实施例使用具有由分别具300埃及300埃的标称厚度的重复氧化物层及氮化物层形成的96对重复层的单个区域的多层膜堆叠的有效介质模
型来比较模拟信号与回归拟合的曲线图。

[0019] 图5包含根据本发明的一或多个实施例使用具有由分别具200埃及400埃的标称厚度的重复氧化物层及氮化物层形成的96对重复层的单个区域的多层膜堆叠的有效介质模
型来比较模拟信号与回归拟合的曲线图。

[0020] 图6包含根据本发明的一或多个实施例使用包含由分别具有300埃及300埃的标称厚度的重复氧化物层及氮化物层形成的96对重复层连同10,000埃厚顶部氧化物层及10,
000埃厚底层的单个区域的多层膜堆叠的有效介质模型来比较模拟信号与回归拟合的曲线
图。

具体实施方式

[0021] 现将详细参考附图中所说明的所揭示标的物。已关于某些实施例及其特定特征特别地展示及描述本发明。本文中所阐述的实施例被视为说明性而非限制性的。所属领域一
般技术人员应容易明白，可在不脱离本发明的精神及范围的情况下对形式及细节进行各种
改变及修改。

[0022] 本发明的实施例涉及基于使用有效介质近似(EMA)模型来对具有不同膜组合物的交替层的多层膜堆叠进行建模而对多层膜堆叠进行度量。

[0023] 半导体装置中的多层膜堆叠通常包含定义组合物的已知数目个重复层。例如，3D快闪存储器装置可包含(但未必需要包含)具有已知目标厚度的氧化物材料及氮化物材料
的近似100个交替层。然而，制造期间的工艺变动可能导致膜的制造特性(例如但不限于层
的平均膜厚度或介电常数值)的对应变动。本文中应认识到，膜堆叠的每一构成膜的特性的
直接测量可能并非所要的或实际的。本发明的额外实施例涉及使用有效介质模型来将多层
膜堆叠建模为具有有效介电常数的单个膜，测量多层膜堆叠的全局特性，且基于模型及经
测量全局特性来提取构成层的性质。

[0024] 本发明的额外实施例涉及使用EMA模型来基于膜堆叠内(例如，一系列重复层内)的构成材料(例如，氧化物层及氮化物层)的介电常数值及描述膜堆叠内(例如，一系列重复
层内)的构成材料的体积分率的分率因子将多层膜堆叠的重复层建模为具有有效介电常数
值的单个膜。EMA模型可基于任何数目个因素(例如但不限于构成材料的物理分布、局部静
电效应或材料各向异性)来定义构成层的介电常数值与体积分率之间的关系。另外，EMA模
型可包含所属领域中已知的任何类型的EMA模型，例如但不限于马克斯韦‑加内特模型或布
鲁格曼模型。此外，EMA模型可并入所属领域中已知的EMA模型的修改版本。

[0025] 多层膜堆叠可进一步包含除一系列重复层以外的组件。例如，多层堆叠可包含一或多个非重复层(例如，顶层、底层等)。作为另一实例，多层堆叠可包含重复层的多个实例
或区域。例如，多层堆叠可包含含有重复氧化物层及氮化物层的第一区域、厚中间层、包含
重复氧化物层及氮化物层的第二区域等等。此外，重复层的多个区域无需相同。在这方面，
每一区域中的层数及/或层的组合物可能变动。

[0026] 本发明的额外实施例涉及基于EMA模型来对多层膜堆叠对光的反射率进行建模。例如，可基于将重复膜层的区域视为具有基于EMA模型的有效折射率的厚膜以及任何非重
复层而对多层膜堆叠对光的反射率进行建模。

[0027] 本发明的额外实施例涉及测量多层膜堆叠的全局特性。例如，可使用光学技术(例如但不限于反射测量术或椭圆测量术)基于从多层膜堆叠反射的光的性质来确定多层膜堆
叠的有效介电常数。在一些实施例中，基于窄带测量(例如但不限于单波长反射测量术、单
波长椭圆测量术、角度分辨反射测量术或角度分辨椭圆测量术)来确定多层膜堆叠的特性。
在一些实施例中，基于宽带(例如，多波长)测量(例如但不限于光谱反射测量术或光谱椭圆
测量术)来确定多层膜堆叠的特性。

[0028] 本发明的额外实施例涉及应用回归分析以基于多层膜堆叠的经测量全局特性来确定多层膜堆叠的以EMA为基础的反射率模型的未知参数的值。取决于应用，可基于经测量
数据(例如但不限于多层膜堆叠的总厚度、重复层的任何区域的厚度、重复层的任何区域中
的组合物的体积分率、或构成层中的任一者的介电常数值)来拟合与EMA模型相关联的参数
的任何组合。

[0029] 例如，情况可能是构成膜层的介电常数值已知或可在可接受精度要求内近似，但制造膜层的精确厚度可能未知。在这方面，膜沉积期间的工艺变动可能导致经沉积膜的精
确厚度的变动。因此，重复层的单个区域的回归分析可并入构成膜的介电常数值作为自变
量且可基于对多层膜堆叠的经测量反射率值的拟合来确定区域的总厚度及分率因子的值。
接着，可基于由回归分析提供的总厚度及分率因子以及关于堆叠的已知信息(例如每种类
型的材料的层数)来确定构成层的平均厚度。例如，区域中的给定组合物的层的平均厚度Ti
可特性化为：

[0030] 对于i＝1…n，且∑i fv,i＝1。                 (1)

[0031] 其中Ttot是区域的总厚度，n是层的类型(例如，不同组合物的层)的数目，Ni是每种组合物的层数，且fv,i是与区域内的每种组合物相关联的体积分率。此外，∑i fv,i＝1的约
束规定区域被划分成所关注层。

[0032] 另外，在多层膜堆叠包含重复层及/或非重复膜层(例如，顶层、中间层、底层等)的多个区域的情况下，回归分析可单独地拟合与每一区域及/或每一非重复膜层相关联的值。

[0033] 本文中应认识到，基于将多层膜堆叠建模为有效介质来提取层厚度的平均值可提供高处理量度量。例如，将多层膜堆叠建模为有效介质可相对于直接建模方法显著减少计
算时间，所述直接建模方法包含涉及测量层的预期工艺窗内的栅格搜索以估计构成层的平
均厚度的估计阶段，之后是对个别层厚度求解的求解阶段。在非限制实例中，有效介质建模
方法相对于两阶段直接建模方法减少具有近似100个交替氧化物层及氮化物层的多层堆叠
的计算时间达近似50％而不降低精度。

[0034] 图1A是说明根据本发明的一或多个实施例的半导体装置制造系统100的概念视图。在一个实施例中，系统100包含经配置以特性化多层膜堆叠104的一或多个性质的度量
工具102。在另一实施例中，系统100包含通信地耦合到度量工具102的控制器106。在另一实
施例中，控制器106包含经配置以执行维持在存储器介质110或存储器上的程序指令的一或
多个处理器108。控制器106的一或多个处理器108可包含所属领域中已知的任何处理元件。
在这个意义上，一或多个处理器108可包含经配置以执行算法及/或指令的任何微处理器型
装置。此外，存储器介质110可包含所属领域中已知的适于存储可由相关联的一或多个处理
器108执行的程序指令的任何存储介质。例如，存储器介质110可包含非暂时性存储器介质。
作为额外实例，存储器介质110可包含但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、
磁性或光学存储器装置(例如，磁盘)、磁带、固态驱动器等。进一步应注意，存储器介质110
可与一或多个处理器108一起容置在共同控制器外壳中。

[0035] 在这方面，控制器106的一或多个处理器108可执行贯穿本发明所描述的各种过程步骤中的任一者。例如，控制器106的一或多个处理器108可接收、生成及/或实施多层膜堆
叠104的EMA模型，基于EMA模型及来自与多层膜堆叠104相关联的度量工具102的经测量数
据执行回归分析以确定因变量的值。

[0036] 图1B是说明根据本发明的一或多个实施例的度量工具102的概念视图。

[0037] 度量工具102可包含所属领域中已知的适于提供与多层膜堆叠104上的度量目标相关联的度量信号的任何类型的度量系统。在一个实施例中，度量工具102经配置以提供指
示一或多个波长下的度量目标的一或多个光学性质(例如，一或多个分散参数等)的信号。
例如，度量工具102可包含但不限于光谱仪、具有一或多个照明角度的光谱椭偏仪、用于测
量穆勒矩阵元素(例如，使用旋转补偿器)的光谱椭偏仪、单波长椭偏仪、角度分辨椭偏仪
(例如，光束轮廓椭偏仪)、光谱反射计、单波长反射计、角度分辨反射计(例如，光束轮廓反
射计)、成像系统、光瞳成像系统、光谱成像系统或散射仪。在一个实施例中，度量工具102包
含用于基于样本的一或多个图像的生成而测量度量数据的以图像为基础的度量工具。

[0038] 在一个实施例中，度量工具102包含用于生成照明光束114的照明源112。照明光束114可包含一或多个选定波长的光，包含但不限于紫外线(UV)辐射、可见光辐射或红外线
(IR)辐射。例如，照明源112可提供(但未必需要提供)具有近似600nm到近似800nm的范围中
的波长的照明光束114。

[0039] 照明源112可包含但不限于一或多个窄带激光源、一或多个宽带激光源、一或多个超连续光谱激光源、一或多个白光激光源等。在另一实施例中，照明源112包含激光驱动光
源(LDLS)，例如但不限于激光持续等离子体(LSP)源。例如，照明源112可包含但不限于LSP
灯、LSP灯泡、或适于容纳在由激光源激发成等离子体状态时可发射宽带照明的一或多个元
素的LSP室。在这方面，照明源112可提供具有高相干性(例如，高空间相干性及/或时间相干
性)的照明光束114。在另一实施例中，照明源112包含灯源。作为另一实例，照明源112可包
含但不限于弧灯、放电灯、无电极灯等。在这方面，照明源112可提供具有低相干性(例如，低
空间相干性及/或时间相干性)的照明光束114。

[0040] 在另一实施例中，照明源112提供可调谐照明光束114。例如，照明源112可包含可调谐照明源(例如，一或多个可调谐激光等)。作为另一实例，照明源112可包含耦合到可调
谐滤光片的宽带照明源。

[0041] 照明源112可进一步提供具有任何时间轮廓的照明光束114。例如，照明光束114可具有连续时间轮廓、调制时间轮廓、脉冲时间轮廓等。

[0042] 在另一实施例中，照明源112经由照明路径116将照明光束114引导到多层膜堆叠104且经由收集路径118收集从样本发出的辐射。照明路径116可包含适于修改及/或调节照
明光束114的一或多个光束调节组件120。例如，一或多个光束调节组件120可包含但不限于
一或多个偏光器、一或多个滤光片、一或多个光束分裂器、一或多个漫射体、一或多个均质
器、一或多个切趾器、一或多个光束整形器、或一或多个透镜。

[0043] 在另一实施例中，照明路径116可利用第一聚焦元件122来将照明光束114聚焦到安置在样本台124上的多层膜堆叠104上。在另一实施例中，收集路径118可包含用于收集来
自多层膜堆叠104的辐射的第二聚焦元件126。

[0044] 在另一实施例中，度量工具102包含经配置以通过收集路径118捕获从多层膜堆叠104发出的辐射的检测器128。例如，检测器128可接收从多层膜堆叠104反射或散射(例如，
经由镜面反射、漫反射等)的辐射。作为另一实例，检测器128可接收由多层膜堆叠104生成
的辐射(例如，与照明光束114的吸收相关联的发光等)。

[0045] 检测器128可包含所属领域中已知的适于测量从多层膜堆叠104接收的照明的任何类型的光学检测器。例如，检测器128可包含但不限于电荷耦合装置(CCD)检测器、互补金
属氧化物半导体(CMOS)检测器、时间延迟积分(TDI)检测器、光电倍增管(PMT)、雪崩光电二
极管(APD)等。在另一实施例中，检测器128可包含适于识别从多层膜堆叠104发出的辐射的
波长的光谱检测器。

[0046] 收集路径118可进一步包含用于引导及/或修改由第二聚焦元件126收集的照明的任何数目个收集光束调节元件130，包含但不限于一或多个透镜、一或多个滤光片、一或多
个偏光器或一或多个相位板。在这方面，度量工具102可经配置为任何类型的度量工具，例
如但不限于具有一或多个照明角度的光谱椭偏仪、用于测量穆勒矩阵元素(例如，使用旋转
补偿器)的光谱椭偏仪、单波长椭偏仪、角度分辨椭偏仪(例如，光束轮廓椭偏仪)、光谱反射
计、单波长反射计、角度分辨反射计(例如，光束轮廓反射计)、成像系统、光瞳成像系统、光
谱成像系统或散射仪。

[0047] 此外，本文中应注意，图1B中所描绘的度量工具102可促成多层膜堆叠104及/或一个以上照明源112(例如，耦合到一或多个额外检测器128)的多角度照明。在这方面，图1D中
所描绘的度量工具102可执行多个度量测量。在另一实施例中，一或多个光学组件可经安装
到绕多层膜堆叠104枢转的可旋转臂(未展示)，使得照明光束114在多层膜堆叠104上的入
射角度可由可旋转臂的位置来控制。在另一实施例中，度量工具102可包含用于促成由度量
工具102进行的多个度量测量(例如，多个度量工具)的多个检测器128(例如，与由一或多个
光束分裂器生成的多个光束路径相关联)。

[0048] 在另一实施例中，尽管未展示，但度量工具102包含适于调节围绕多层膜堆叠104的氛围的组合物及/或压力的室。例如，度量工具102可包含用于控制围绕多层膜堆叠104的
氛围的组合物及/或压力的一或多个气罐、一或多个阀、一或多个软管、一或多个泵、一或多
个压力调节器等。在另一实施例中，度量工具102经配置以提供惰性气体或基本上透射由照
明源112提供的波长的气体作为围绕多层膜堆叠104的氛围。

[0049] 图1C是说明根据本发明的一或多个实施例的配置有单个照明及收集光学元件的度量工具102的概念视图。在一个实施例中，度量工具102包含光束分裂器132，光束分裂器
132经定向使得物镜134可同时将照明光束114引导到多层膜堆叠104且收集从多层膜堆叠
104发出的辐射。

[0050] 此外，度量系统可包含单个度量工具或多个度量工具。2011年4月26日发布的标题为“CD变动的高分辨率监测(High resolution monitoring of CD variations)”的第7,
933,026号美国专利及2009年1月13日发布的标题为“多工具及结构分析(Multiple tool 
and structure analysis)”的第7,478,019号美国专利中大体上描述并入多个度量工具的
度量系统，所述两个专利的全部内容以引用方式并入本文中。1997年3月4日发布的标题为
“聚焦光束光谱椭圆测量术方法及系统(Focused beam spectroscopic Ellipsometry 
method and system)”的第5,608,526号美国专利中大体上描述基于主要反射光学件的聚
焦光束椭圆测量术，所述专利的全部内容以引用方式并入本文中。1999年1月12日发布的标
题为“可用于减小光学测量及其它应用中的光斑大小的切趾滤光片系统(Apodizing 
filter system useful for reducing spot size in optical measurements and other 
applications)”的第5,859,424号美国专利中大体上描述使用切趾器来减轻引起照明光斑
扩散超过由几何光学件定义的大小的光学绕射的效应，所述专利的全部内容以引用方式并
入本文中。2002年8月6日发布的标题为“具有同时多入射角度测量的临界尺寸分析
(Critical dimension analysis with simultaneous multiple angle of incidence 
measurements)”的第6,429,943号美国专利大体上描述具有同时多入射角度照明的高数值
孔径工具的使用，所述专利的全部内容以引用方式并入本文中。

[0051] 图2是说明根据本发明的一或多个实施例的在用于确定多层膜的层厚度的方法200中执行的步骤的流程图。申请人应注意，本文中先前在系统100的背景中所描述的实施
例及启用技术应被解释为扩展到方法200。然而，进一步应注意，方法200不限于系统100的
架构。

[0052] 在一个实施例中，方法200包含测量从包含具有安置成重复图案的两种或更多种材料组合物的一或多个区域的多层膜堆叠反射的光以生成检测信号的步骤202。可使用图
1A到1C中所说明的系统100来执行(但未必需要执行)步骤202。

[0053] 图3A是根据本发明的一或多个实施例的包含重复膜层302(例如，重复层的单个区域)的多层膜堆叠104的侧视图。多层膜堆叠104可包含具有各种组合物(例如但不限于电介
质材料(例如，氧化物材料、氮化物材料、氟化物材料等)、金属、陶瓷或聚合物)的任何数目
个膜。在一个实施例中，重复膜层302由沉积成交替图案的第一组合物304及第二组合物306
形成。

[0054] 在另一实施例中，每种组合物的膜层具有目标厚度，但情况可能是制造层的厚度可能由于工艺条件变动而偏离目标厚度。对应地，一系列重复层302的总区域厚度308可基
于工艺变动而变动。例如，具有第一组合物304的膜层可具有第一目标厚度310且具有第二
组合物306的膜层可具有第二目标厚度312。此外，具有不同组合物的膜层可具有相同目标
厚度或不同目标厚度。

[0055] 作为非限制实例，与3D快闪存储器装置相关联的多层膜堆叠104可包含96层对的具有400埃的目标厚度的氧化物材料及具有200埃的目标厚度的氮化物材料。在这方面，第
一组合物304可对应于氧化物材料，第一目标厚度310可对应于400埃，第二组合物306可对
应于氮化物材料，且第二目标厚度312可对应于200埃。

[0056] 在另一实施例中，多层膜堆叠104可包含额外层(例如，非重复层)，例如但不限于顶层(例如，罩层等)或底层。额外层可由重复膜层302的材料组合物中的任一者形成或可由
额外材料组合物形成。此外，额外层可具有与重复膜层302相同或不同的目标厚度(例如，第
一目标厚度310或第二目标厚度312)。图3B是根据本发明的一或多个实施例的包含重复膜
层302、顶层314及底层316的多层膜堆叠104的侧视图。例如，如图3B中所说明，顶层314及/
或底层316可由与重复膜层302相同的组合物形成且可进一步继续重复膜层302的重复图
案。然而，如图3B中进一步说明，顶层314及/或底层316可具有与重复膜层302不同的厚度。

[0057] 多层膜堆叠104可包含重复膜层302及/或非重复层的多个实例或区域。图3C是根据本发明的一或多个实施例的包含通过非重复层分离的重复膜层的两个区域的多层膜堆
叠104的侧视图。在一个实施例中，多层膜堆叠104包含重复层302的第一区域318a及重复层
302的第二区域318b。例如，如图3C中所说明，第一区域318a及第二区域318b包含第一组合
物304及第二组合物306的交替层。

[0058] 然而，应了解，图3C中的重复层302的区域的说明仅仅出于说明性目的而提供且不应被解释为限制性。重复层302的不同区域(例如，区域318a及318b)的特性(例如但不限于
膜数、膜的顺序、膜的组合物或膜的厚度)可能相同或可能变动。

[0059] 在另一实施例中，也在图3C中所说明，多层膜堆叠104包含第一区域318a与第二区域318b之间的中间层320。多层膜堆叠104可另外包含一或多个额外非重复层，例如但不限
于顶层314及/或底层316。非重复层(例如，中间层320、顶层314、底层316等)可具有任何厚
度且可进一步具有任何组合物。例如，非重复层可具有与重复层302中的任一者不同的组合
物或可具有对应于重复层中的任一者的组合物。

[0060] 应了解，包含呈图3A到3C中所说明的交替图案的两种膜组合物的多层膜堆叠104的说明仅仅出于说明性目的而提供且不应被解释为限制性。如本文中先前描述，多层膜堆
叠104可包含呈重复图案的任何数目个层。例如，重复膜层302可包含呈重复图案的三种或
三种以上组合物。

[0061] 在另一实施例中，重复膜层302可经沉积在衬底322上。例如，衬底322可对重复膜层302提供(但未必需要提供)机械支撑。衬底322可为任何类型的材料，例如但不限于半导
体材料(例如，半导体晶片等)、电介质材料、金属、或有机材料、陶瓷、或聚合物。

[0062] 在一个实施例中，步骤202包含使用反射测量术或椭圆测量术的任何组合来测量从多层膜堆叠104反射的光(例如，如图3A到3C等中所说明)。例如，步骤202可包含测量一或
多个波长及/或一或多个照明角度的入射光与反射光的强度之间的差。此外，可通过控制入
射照明的偏光(例如，经由光束调节组件120等)及/或通过监测反射光的偏光(例如，经由收
集光束调节元件130)而执行偏光敏感测量。

[0063] 本文中应认识到，有效介质折射率模型通常要求测量波长基本上大于重复层302内的构成材料的大小的厚度。因此，可基于构成层的目标厚度(例如，第一目标厚度310、第
二目标厚度312等)来选择与步骤202中的测量相关联的照明波长或若干照明波长。例如，与
3D快闪存储器相关联的多层膜堆叠104可包含(但未必需要包含)具有近似200埃到近似400
埃之间的目标厚度的重复膜层302。因此，适于特性化多层膜堆叠104的照明波长可(但未必
需要)大于近似600nm。在这方面，照明波长可能比构成层的目标厚度的和大至少一个数量
级。

[0064] 在另一实施例中，方法200包含通过使用有效介质模型来将多层膜堆叠的重复层的一或多个区域建模为具有区域厚度(例如，区域厚度308)及有效介电常数值的厚膜而对
多层膜堆叠104对宽带光的反射进行建模的步骤204。例如，有效介质模型基于构成材料层
的体积分率而使构成材料层(例如，重复膜层302等)的介电常数值与重复层302的区域的有
效介电常数相关。

[0065] 有效介质模型可基于包含但不限于构成材料的物理布局、局部静电效应、偏光性或材料各向异性的因素的任何组合而使重复层302的区域的有效介电常数与已知构成材料
组合物(例如，第一组合物304、第二组合物306等)的介电常数值相关。此外，有效介质模型
可全部或部分并入所属领域中已知的任何有效介质模型(例如但不限于马克斯韦加内特模
型或布鲁格曼模型)的方面。

[0066] 在一个实施例中，步骤204的有效介质模型可将重复层302的区域近似为平均来说空间均匀且各向同性的。在这方面，重复层302的区域可被视为具有以小于步骤202中使用
的测量光的波长的长度标度的均匀分布内含物。例如，考虑具有空间均匀球形内含物的主
体材料的马克斯韦加内特有效介质模型可经建模为各向同性材料。

[0067] 在另一实施例中，步骤204的有效介质模型可将重复层302的区域近似为单轴材料。例如，再次参考图3A及3B，垂直于衬底322的方向(例如，Z方向)可被视为光轴。在这方
面，重复层302的区域可经建模为具有沿Z方向的异常折射率及沿X‑Y平面的方向的正常折
射率。例如，双组合物区域(例如，如图3A到3C等中所说明)的有效介电常数可(但未必需要)
特性化为有效介电常数张量：

[0068]

[0069] 其中∈t是沿X‑Y平面中的方向的横向介电常数且∈z是基于图3A到3C中说明的轴的沿Z方向的介电常数。此外，∈t及∈z的值可为构成材料的介电常数值及体积分率的函数
且可(但未必需要)通过以下表达式来特性化：

[0070] ∈t＝ft(∈1,∈2,…,∈n,fv,t,1,fv,t,2,…,fv,t,n),∈z＝fz(∈1,∈2,…,∈n,fv,z,1,fv,z,2,…,fv,z,n)      (3)

[0071] 其中ft及fz是已知函数，∈1…∈n是构成组合物(例如，第一组合物304、第二组合物306等)的介电常数值，且fv,t,1…fv,t,n是区域内沿横向方向的构成组合物的体积分率，且
fv,z,1…fv,z,n是区域内沿Z方向的构成组合物的体积分率。此外，体积分率可沿不同方向单
独地约束(例如，∑ifv,t,i＝1及∑i fv,z,i＝1)或可沿全部方向约束为相同(例如，fv,t,i＝
fv,z,i)。在一般意义上，在步骤204中可基于重复层的给定区域的特定几何及静电考虑实施
任何有效介质近似。另外，可(但未必需要)使用不同有效介质近似技术来对不同区域进行
建模。

[0072] 在另一实施例中，步骤204包含对多层膜堆叠104对光的反射进行建模以提供步骤202的经测量检测信号、基于有效介质模型而建模为厚膜的重复层的一或多个区域与任何
非重复层(例如，顶层314、底层316、中间层320等)之间的关系。例如，多层膜堆叠104对光的
反射的模型可基于所属领域中已知的使来自多层膜堆叠104的光的反射与多层膜堆叠104
的光学性质相关的任何反射测量术或椭圆测量术模型。

[0073] 此外，可使用所属领域中已知的任何分散模型来建模多层膜堆叠104的构成材料的介电常数值(及对应折射率值)。在一个实施例中，介电常数值可经建模为波长独立值。在
另一实施例中，介电常数值可根据波长而变动。例如，所关注波长(例如，与用于生成步骤
202的检测信号的照明源112相关联的波长等)的介电常数值可基于实验数据。作为另一实
例，可基于波长与折射率(与介电常数直接相关)之间的经验关系来表达所关注波长的介电
常数值，例如但不限于柯西方程式或塞耳迈耶尔方程式。作为另一实例，可使用分析分散模
型(例如但不限于洛伦兹模型、托克‑洛伦兹模型等)来表达所关注波长的介电常数值。此
外，可使用任何复合模型来表达(但未必需要表达)分散。

[0074] 在另一实施例中，方法200包含使用基于有效介质模型的检测信号的回归来确定区域厚度及体积分率的值的步骤206。例如，可应用回归分析以确定区域厚度(例如，图3A到
3B的区域厚度308等)及体积分率fi的值，所述值基于步骤204的有效介质近似来提供与重
复层302的每一区域对光的反射的模型的最佳“拟合”。在这方面，区域厚度及体积分率fv,i
可作为回归分析中的未知变量提供且构成材料的介电常数值可作为自变量提供。此外，可
使用步骤206的回归来提供任何非重复层(例如，顶层314、底层316、中间层320等)的未知值
(例如，厚度等)的最佳“拟合”。

[0075] 在另一实施例中，方法200包含基于每一区域的构成材料组合物中的每一者的已知膜数、区域厚度、体积分率及有效介电常数值来确定重复层302的区域内的构成材料组合
物的平均厚度值的步骤208。例如，可使用方程式(1)基于由步骤206中的回归确定的区域厚
度308及体积分率来确定构成材料组合物的平均厚度值。

[0076] 现参考图4到6，描述根据本发明的一或多个实施例的方法200的应用。在一个实施例中，多层膜堆叠104包含硅衬底322上的96对交替氧化物及氮化物重复膜层302层的单个
区域，如图3A及3B中所描绘。例如，第一组合物304是氧化物材料且第二组合物306是氮化物
材料。

[0077] 在图4到6中所说明的实例中，多层膜堆叠104经建模为单轴材料，其中根据方程式(2)来对介电常数进行建模。此外，氧化物层及氮化物层的体积分率约束为：

[0078] fv,t(nitride)＝1‑fv,t(oxide)及fv,z(nitride)＝1‑fv,z(oxide)。       (4)

[0079] 在这方面，氧化物的体积分率(fv,t(oxide)及fv,z(oxide))连同区域厚度(例如，区域厚度308)一起作为未知变量在方法200的步骤206中的回归分析中浮动。接着，基于方程
式(1)基于沿Z方向的体积分率来确定氧化物层及氮化物层的平均厚度值。

[0080] 图4包含根据本发明的一或多个实施例使用具有由分别具300埃及300埃的标称厚度的重复氧化物层及氮化物层形成的96对重复层302的单个区域的多层膜堆叠104的有效
介质模型来比较模拟信号与回归拟合的曲线图。在这方面，多层膜堆叠104根据图3A设计成
具有57,600埃的标称区域厚度308。曲线图402包含基于多层膜堆叠104的有效介质模型的
600nm到800nm的波长范围内的与光谱椭圆测量术测量相关联的模拟椭圆测量术信号404
(例如，与步骤202中相关联)及回归拟合信号406(例如，与步骤206相关联)。曲线图408包含
对应椭圆测量术误差信号410及1σ噪声模型信号412。曲线图414包含基于多层膜堆叠104的
有效介质模型的600nm到800nm的范围内的与光谱反射测量术测量相关联的模拟反射测量
术信号416(例如，在步骤202中)及回归拟合信号418。曲线图420包含对应反射测量术误差
信号422及1σ噪声模型信号424。

[0081] 在EMA模型(例如，与步骤204相关联)中，分别基于1.5及2.0的波长独立折射率值来建模氧化物及氮化物材料的介电常数值。接着，步骤206的回归分析将沿Z方向的体积分
率(fZ(oxide))确定为0.502且将区域厚度308确定为57,608埃。氧化物层及氮化物层的平
均厚度基于步骤208中的这些值而分别被确定为301.25埃及298.85埃。与使用方法200的厚
度确定相关联的对应误差分别是氧化物层的0.4％及氮化物层的‑0.4％。

[0082] 图5包含根据本发明的一或多个实施例使用具有由分别具200埃及400埃的标称厚度的重复氧化物层及氮化物层形成的96对重复层的单个区域的多层膜堆叠104的有效介质
模型来比较模拟信号与回归拟合的曲线图。在这方面，多层膜堆叠104根据图3A设计成具有
57,600埃的标称区域厚度308。曲线图502包含基于多层膜堆叠104的有效介质模型的600nm
到800nm的波长范围内的与光谱椭圆测量术测量相关联的模拟椭圆测量术信号504(例如，
与步骤202中相关联)及回归拟合信号506(例如，与步骤206相关联)。曲线图508包含对应椭
圆测量术误差信号510及1σ噪声模型信号512。曲线图514包含基于多层膜堆叠104的有效介
质模型的600nm到800nm的范围内的与光谱反射测量术测量相关联的模拟反射测量术信号
516(例如，在步骤202中)及回归拟合信号518。曲线图520包含对应反射测量术误差信号522
及1σ噪声模型信号524。

[0083] 在EMA模型(例如，与步骤204相关联)中，基于波长相关复杂分析分散模型来建模氧化物及氮化物材料的介电常数值。接着，步骤206的回归分析将沿Z方向的体积分率(fZ
(oxide))确定为0.331且将区域厚度308确定为57,543埃。氧化物层及氮化物层的平均厚度
基于步骤208中的这些值而分别被确定为198.56埃及400.85埃。与使用方法200的厚度确定
相关联的对应误差分别是氧化物层的‑0.7％及氮化物层的0.2％。

[0084] 图6包含根据本发明的一或多个实施例使用包含由分别具有300埃及300埃的标称厚度的重复氧化物层及氮化物层形成的96对重复层连同10,000埃厚顶部氧化物层及10,
000埃厚底层的单个区域的多层膜堆叠104的有效介质模型来比较模拟信号与回归拟合的
曲线图。在这方面，多层膜堆叠104根据图3B设计成具有57,600埃的标称区域厚度308。曲线
图602包含基于多层膜堆叠104的有效介质模型的600nm到800nm的波长范围内的与光谱椭
圆测量术测量相关联的模拟椭圆测量术信号604(例如，与步骤202中相关联)及回归拟合信
号606(例如，与步骤206相关联)。曲线图608包含对应椭圆测量术误差信号610及1σ噪声模
型信号612。曲线图614包含基于多层膜堆叠104的有效介质模型的600nm到800nm的范围内
的与光谱反射测量术测量相关联的模拟反射测量术信号616(例如，在步骤202中)及回归拟
合信号618。曲线图620包含对应反射测量术误差信号622及1σ噪声模型信号624。

[0085] 在EMA模型(例如，与步骤204相关联)中，基于波长相关复杂分析分散模型来建模氧化物及氮化物材料的介电常数值。在步骤206的回归分析中，区域厚度308、顶层314的厚
度、底层316的厚度以及沿Z及X‑Y方向的氧化物材料的体积分率作为未知变量浮动。所得分
析将沿Z方向的氧化物体积分率fZ(oxide)提供为0.331且将区域厚度308提供为57,543埃。
接着，氧化物层及氮化物层的平均厚度基于步骤208中的这些值而分别被确定为297.68埃
及299.68埃。与使用方法200的厚度确定相关联的对应误差分别是氧化物层的‑0.8％及氮
化物层的‑0.1％。此外，顶层厚度被确定为具有1.36％误差的10,136埃且底层厚度被确定
为具有1.32％误差的10,132埃。

[0086] 本文中所描述的标的物有时说明其它组件内所含或与其它组件连接的不同组件。应了解，此类所描绘架构仅仅是实例性的，且事实上可实施实现相同功能性的许多其它架
构。在概念意义上，用于实现相同功能性的任何组件布置有效地“相关联”，使得实现所要功
能性。因此，在本文中组合以实现特定功能性的任何两个组件可被视为彼此“相关联”，使得
实现所要功能性，而与架构或中间组件无关。同样地，如此相关联的任何两个组件还可被视
为彼此“连接”或“耦合”以实现所要功能性，且能够如此相关联的任何两个组件还可被视为
彼此“可耦合”以实现所要功能性。可耦合的特定实例包含但不限于可物理相互作用及/或
物理上相互作用的组件、及/或可无线相互作用及/或无线相互作用的组件、及/或可逻辑相
互作用及/或逻辑相互作用的组件。

[0087] 据信，通过前文描述将理解本发明及其许多伴随优点，且将明白可对组件的形式、构造及布置进行各种改变而不脱离所揭示标的物或不牺牲全部其重要优点。所描述形式仅
仅是解释性的，且所附权利要求书旨在涵盖且包含此类改变。此外，应了解，本发明是由所
附权利要求书定义。