半导体图案的测量装置、使用其的测量系统和测量方法相关申请的交叉引用
本申请要求2015年8月7日提交给韩国知识产权局的申请号为10-2015-0111781的
韩国申请的优先权，其通过引用整体合并于此。
技术领域
各种实施例总体涉及一种用于半导体集成电路的测量装置，更具体地，涉及一种用
于半导体图案的测量装置、包括其的测量系统以及使用其的测量方法。
背景技术
随着半导体集成电路已经可以高度集成，半导体器件的线宽、关键尺寸等可以持续
降低。
近来，正开发具有三维结构的半导体器件。因此，半导体集成电路可以包括具有高
的纵横比(aspect ratio)的图案。
在制造半导体集成电路时，可以通过测量由制造的每个阶段形成的每层和/或图案的
厚度和/或宽度来进行检查以检测半导体集成电路中的制造故障或图案故障。
可以基于测量数据是否落入允许范围之内来判断图案故障。当图案被确定为反常
时，可以通过改变工艺参数来防止图案故障。
开发并研究了用于检查半导体集成电路中的图案的装置。光学测量方法可以是检查
图案的典型方法。在光学测量方法中，可以将光信号照射到物体。可以分析从物体反射
来的光信号来判断图案故障。
然而，随着半导体集成电路具有更窄的间距(pitch)和更高的纵横比，需要开发一
种测量方法以用来测量具有比用于光学测试的光源的波长小的间距的图案。
发明内容
根据本公开的示例性实施例，一种测量方法可以包括：通过将第一分光照射到物体
来获取从物体反射的图案反射光，第一分光通过反射偏振光来产生；通过将第二分光照
射到反射器来获取从反射器反射的相位受控的镜面反射光，第二分光通过传输所述偏振
光来产生；以及基于图案反射光与镜面反射光之间的干涉信号来获取物体的图案。
根据本公开的示例性实施例，一种测量装置可以包括：光源，适用于发射光；第一
偏振器，适用于通过使发射的光偏振来产生偏振光；分束器，适用于将所述偏振光划分
为第一分光和第二分光；第二偏振器，适用于通过使第一分光偏振并将偏振的第一分光
照射到物体来产生图案反射光；反射器，适用于通过反射第二分光来产生镜面反射光；
波片，适用于控制镜面反射光的相位；检测器，适用于改变图案反射光与镜面反射光之
间的干涉信号的偏振特性；以及图案获取器，适用于基于从检测器输出的干涉信号来获
取物体的图案。
根据本公开的示例性实施例，一种测量系统可以包括：测量装置，适用于：通过将
第一分光照射到物体来获取从物体反射的图案反射光，第一分光通过反射偏振光来产生；
通过将第二分光照射到反射器来获取从反射器反射的相位受控的镜面反射光，第二分光
通过传输所述偏振光来产生；以及基于图案反射光与镜面反射光之间的干涉信号来获取
物体的图案；平台，适用于移动物体；以及用户设备，适用于基于操作参数来控制测量
装置和平台以测量物体的图案。
附图说明
可以根据下面的具体实施方式结合附图来更详细地理解示例性实施例。图1至图4
描绘了本文中所描述的非限制性的示例性实施例。
图1是图示根据本公开的示例性实施例的用于半导体图案的测量装置的框图；
图2是图示根据本公开的示例性实施例的用于半导体图案的测量系统的框图；
图3是图示图2中的用户设备的框图；以及
图4是图示根据本公开的示例性实施例的测量系统的测量方法的流程图。
具体实施方式
在下文中将参照附图来更充分地描述各种示例性实施例，在附图中示出一些示例性
实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，而不应当被解释为局限于本文中
所阐述的实施例。相反地，这些实施例被提供使得本公开将彻底且完整，且这些实施例
将把本发明的范围充分传达给本领域技术人员。在附图中，可以为了清楚的目的而夸大
层和区域的尺寸和相对尺寸。
将理解的是，当一个元件或层被称作在另一个元件或层“上”、“连接至”或“耦接
至”另一个元件或层时，其可以直接在另一个元件或层上、直接连接或耦接至另一个元
件或层，或者可以存在中间元件或中间层。相反地，当一个元件被称作“直接在”另一
个元件或层“上”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一个元件或层时，不存在中间元
件或中间层。相同的附图标记始终指代相同的元件。如本文中所使用的，术语“和/或”
包括相关联的所列项中的一个或更多个项的任意组合或全部组合。
将理解的是，虽然在本文中使用了术语第一、第二、第三等来描述各种元件、组件、
区域、层和/或部分，但这些元件、组件、区域、层和/或部分不应当被这些术语限制。这
些术语仅被用来区分一个元件、组件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分。因此，
在不脱离本发明的教导的情况下，以下讨论的第一元件、第一组件、第一区域、第一层
或第一部分能够被称为第二元件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分。
为了便于描述，在本文中可以使用空间相对术语(诸如“在…之下”、“以下”、“下
面”“以上”“上面”等)来描述图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。
将理解的是，除图中所描述的定位之外，空间相对术语还意在包含使用中或操作中的器
件的不同定位。例如，如果图中的器件被翻转，则被描述为在其他元件或特征以下或之
下的元件将被定位在其他元件或特征以上。因此，示例性术语“以下”可以包含以上和
以下的定位二者。器件可以被另外地定位(被旋转90度或处于其他定位处)，且此处使
用的空间相对描述符号被相应地解释。
本文中所使用的术语仅用于描述特定示例性实施例的目的，而非意在限制本发明。
如本文中所使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”
意在也包括复数形式。还将理解的是，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时
指定所阐述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一
个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
本文中参照为理想示例性实施例(和中间结构)的示意图的代表性示图来描述示例
性实施例。就此而言，可预期由例如制造技术和/或容差所导致的示图形状上的变化。因
此，示例性实施例不应当被解释为局限于本文中所示出的区域的特定形状，而是包括由
例如制造所导致的形状上的变化。例如，被图示为矩形的注入区通常将具有圆形特征或
弯曲特征和/或在其边沿处的注入浓度梯度而非从注入区至非注入区的二元改变。同样
地，通过注入形成的掩埋区可以导致在掩埋区与通过其发生注入的表面之间的区域中的
一些注入。因此，图中所示的区域本质上为示意性的，且它们的形状并非意在示出器件
的区域的实际形状，且并非意在限制本发明的范围。
除非另外限定，否则本文中所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与
本发明所属领域的技术人员通常所理解的相同的意思。还将理解的是，诸如通用字典中
定义的术语的术语应当被解释为具有与它们在相关领域的背景中的意思一致的意思，而
将不以理想化的意义或过于正式的意义来解释，除非在本文中被明确地如此定义。
在下文中，将参照附图来详细地说明示例性实施例。
图1是图示根据本公开的示例性实施例的用于半导体图案的测量装置的框图。
参见图1，测量装置10可以包括光源101、第一偏振器103、分束器105、第二偏
振器107、第一物镜109、波片(wavelength plate)111、第二物镜113、反射器115、检
测器117、聚光器119和图像获取器121。
光源101可以将光照射到物体20。光可以包括相干光。相干光可以包括具有相同频
率和均匀相位差以彼此相互干涉的两个光波。可选地，光可以包括非相干光。
当半导体图案具有比光的波长小的间距时，不可能通过直接成像来获取半导体图案
的信息。因此，可以通过测量半导体图案的相位的干涉仪来获取半导体图案的信息。在
各种实施例中，干涉仪可以包括相干光源或非相干光源。测量装置10可以测量具有比从
光源101照射的光的波长小的间距的半导体图案。
第一偏振器103可以通过改变从光源101照射来的光的偏振特性来形成偏振光。在
各种实施例中，第一偏振器103可以包括用于改变偏振特性的可变偏振器。第一偏振器
103可以根据物体20的分析模式来传输次级波(S波)或初波(P波)。
分束器105可以将偏振光划分为第一分光和第二分光。在各种实施例中，第一分光
可以包括从分束器105反射的反射光。第二分光可以包括传输穿过分束器105的透射光。
第二偏振器107可以通过改变从分束器105反射来的第一分光的偏振特性来将第一
分光照射到物体20。在各种实施例中，第二偏振器107可以包括径向偏振器。径向偏振
器可以将线性偏振光转变为径向偏振光或方位角偏振光。径向偏振器可以通过聚集线性
偏振光来提供具有小光斑尺寸的线性偏振光。因此，第二偏振器107可以有效地用于测
量具有比光的波长小的间距的物体的图案。
在各种实施例中，当S波传输穿过第一偏振器103时，S波可以通过第二偏振器107
而被转变为横电波(TE波)。当P波传输穿过第一偏振器103时，P波可以通过第二偏
振器107而被转变为横磁波(TM波)。
第一物镜109可以聚集传输穿过第二偏振器107的光，使得物体20的图像可以主
要形成在图像获取器121上。
在光通过第一物镜109照射到物体20之后，从物体20反射的图案反射光可以入射
到第一物镜109。图案反射光可以入射到第二偏振器107以被转变为线性偏振光。然后，
线性偏振的图案反射光可以入射到分束器105。在各种实施例中，图案反射光可以为测
量信号。通过物体20的具有或不具有偏振改变的图案反射光或测量信号可以通过第二偏
振器107入射到分束器105。
波片111可以传输传输穿过分束器105的第二分光。传输穿过波片111的第二分光
可以通过第二物镜113入射到反射器115。从反射器115反射的镜面反射光可以再次入射
到波片111。镜面反射光可以为参考信号。
在各种实施例中，波片111可以包括四分之一波片。波片111可以具有可变相位延
迟特性。从反射器115反射来的第二分光或参考信号的相位特性可以通过波片111来控
制。当波片111的相位延迟为大约0°时，参考信号可以具有与从第一偏振器103照射的
光的偏振特性基本上相同的偏振特性。当波片111以与预定相位延迟相对应的角度旋转
时，参考信号可以具有与从第一偏振器103照射的光的偏振特性不同的偏振特性。在各
种实施例中，波片111的旋转角度可以被设置为大约22.5°。然而，波片111的旋转角度
可以不被限制在特定数之内。
从分束器105反射的第一分光可以入射到物体20。从物体20反射的图案反射光或
测量信号可以被物体20偏振或不被物体20偏振。因此，当第一偏振器103传输S波且
波片111的相位延迟为大约0°时，在分束器105处可以出现测量信号的S波与参考信号
的S波之间的干涉。相反地，当第一偏振器103传输S波,图案反射光从物体20反射到
分束器105，以及波片111以与预定相位延迟相对应的角度旋转时，在分束器105处可
以出现测量信号的P波与参考信号的P波之间的干涉。
类似地，当第一偏振器103传输P波且波片111的相位延迟为大约0°时，在分束器
105处可以出现测量信号的P波与参考信号的P波之间的干涉。相反地，当第一偏振器
103传输P波，图案反射光从物体20反射到分束器105，以及波片111以与预定相位延
迟相对应的角度旋转时，使得在分束器105处可以出现测量信号的S波与参考信号的S
波之间的干涉。
从物体20入射到分束器105的图案反射光或测量信号以及从反射器115入射到分
束器105的镜面反射光或参考信号可以照射到检测器117。
检测器117可以根据要分析的偏振模式来确定偏振特性。在各种实施例中，检测器
117可以包括用于改变偏振特性的可变检测器。
当检测器117的偏振特性与第一偏振器103的偏振特性一致，且波片111未延迟镜
面反射光的相位(例如，波片111的旋转角度为大约0°)时，图像获取器121可以检测
并拍照关于具有与第一偏振器103的偏振特性相同的偏振特性的反射分量的图像。这可
以被称作第一测量模式。
相反地，当检测器117的偏振特性垂直于第一偏振器103的偏振特性，且波片111
以与预定相位延迟相对应的角度旋转时，图像获取器121可以检测并拍照关于具有与第
一偏振器103的偏振特性垂直的偏振特性的反射分量的图像。这可以被称作第二测量模
式。
根据光学图案测量技术，当光学元件复杂地彼此重叠时，可以通过在数学上描述偏
振光来精确地表示光的转变。当偏振光的布置被表示为矩阵时，可以通过简单的矩阵计
算来容易地示出偏振改变。该矩阵的典型示例可以为琼斯矩阵(Jones Matrix)。
在琼斯矩阵中，对角分量可以表示无偏振改变的反射分量，而非对角分量可以表示
具有偏振改变的反射分量。因此，对角分量可以具有与第一偏振器103的偏振特性相同
的偏振特性。相反地，非对角分量可以具有与第一偏振器103的偏振特性垂直的偏振特
性。
在本公开的示例性实施例中，可以通过控制第一偏振器103、第二偏振器107、波
片111和检测器117来分别检测无偏振模式改变的对角分量和具有偏振模式改变的非对
角分量。
当同时以TE模式和TM模式测量图案图像时，由于两种相位信息之间的干涉，因
此可能难以精确地分析测量的图案。然而，根据本公开的示例性实施例，可以控制光的
偏振特性，且可以根据偏振模式来分析图案反射光(即，测量信号)与镜面反射光(即，
参考信号)之间的干涉。因此，该测量装置可以获取可靠的图案分析。
此外，当采用径向偏振器作为第二偏振器107时，有可能针对TE模式和TM模式
中的每种模式测量干涉图像。因此，可以更精确地测量具有比从光源101照射的光的波
长小的间距的半导体图案的信息，从而可以容易地测量半导体集成电路的超精细图案。
图2是图示根据本公开的示例性实施例的用于半导体图案的测量系统300的框图。
图2示出包括参照图1描述的测量装置10的测量系统300。
参见图2，用于半导体图案的测量系统300可以包括用户设备30、测量装置10和
平台(stage)40。
用户设备30可以基于操作参数(诸如命令、控制信号、数据等)来控制测量装置
10和平台40的操作。
如参照图1所述的，测量装置10可以基于图案反射光(即，测量信号)与镜面反
射光(即，参考信号)之间的干涉信号来获取物体20的图案图像，图案反射光可以通过
将第一分光照射到物体20来获取，镜面反射光可以通过从反射器115反射第二分光来产
生。在各种实施例中，测量装置10可以根据从光源101照射的光的偏振方向和参考信号
的相位延迟来测量图案反射光(即，测量信号)与镜面反射光(即，参考信号)之间的
干涉信号的相位。即，测量装置10可以根据图案反射光的偏振来分别测量TE模式和
TM模式。
平台40可以包括支撑单元410、传送单元420和驱动单元430。物体20可以放置
在支撑单元410上。
驱动单元430可以在用户设备30的控制下驱动传送单元420。在各种实施例中，驱
动单元430可以在水平方向(即，X-Y方向)和/或垂直方向(即，Z方向)上移动传送
单元420。当驱动单元430在垂直方向上移动传送单元420时，物体20的图案图像可以
被精确地测量。
图3是图示图2中的用户设备30的框图。
参见图3，用户设备30可以包括控制器310、用户接口320、存储器330、装置控
制单元340和分析单元350。
用户接口320可以包括输入设备和输出设备。用户接口320可以通过输入设备接收
诸如命令、数据等的操作参数。用户接口320可以通过输出设备输出测量系统300的操
作状态、处理结果等。
在各种实施例中，根据测量模式的第一偏振器103、第二偏振器107和检测器117
的偏振特性、波片111的相位延迟以及光源101的驱动功率可以为要通过用户接口320
输入的操作参数。测量模式可以包括用于测量具有相同偏振特性的图案反射光(即，测
量信号)与镜面反射光(即，参考信号)之间的干涉的第一测量模式以及用于测量具有
垂直的偏振特性的图案反射光与镜面反射光之间的干涉的第二测量模式。
存储器330可以包括主存储器和辅助存储器。用于驱动测量系统300的程序、控制
数据、应用程序、操作参数、处理结果等可以被储存在存储器330中。
装置控制单元340可以控制测量装置10和平台40的操作。装置控制单元340可以
响应于操作参数来根据测量模式控制第一偏振器103、第二偏振器107和检测器117的
偏振特性。装置控制单元340还可以响应于操作参数来控制波片111的相位延迟。装置
控制单元340还可以响应于操作参数来将预定功率提供给光源101。装置控制单元340
可以根据操作参数来控制驱动单元430以将期望的方向和速度提供给传送单元420。
分析单元350可以基于由测量装置10获得的图像的信息来分析物体20的图案。
在各种实施例中，分析单元350可以基于由测量装置10分别获取的第一测量模式
的图像信息和第二测量模式的图像信息来分析物体20的图案。如上所提及的，第一测量
模式可以测量具有相同偏振特性的图案反射光与镜面反射光之间的干涉。第二测量模式
可以测量具有垂直的偏振特性的图案反射光与镜面反射光之间的干涉。
因为测量装置10可以分别执行第一测量模式和第二测量模式，所以分析单元350
可以汇集第一测量模式和第二测量模式中的每种测量模式中的图像信息来测量物体20
的图案。在各种实施例中，分析单元350可以使用基于琼斯矩阵的分析技术。可选地，
分析单元350可以使用其它分析技术。
图4是图示根据本公开的示例性实施例的测量系统300的测量方法的流程图。
参见图1至图4，物体20可以被放置在平台40的支撑单元410上。
在步骤S101处，可以通过用户接口320输入操作参数，诸如根据测量模式的第一
偏振器103、第二偏振器107和检测器117的偏振特性、波片111的相位延迟以及光源
101的驱动功率。测量模式可以包括用于测量具有相同偏振特性的测量信号与参考信号
(即，图案反射光与镜面反射光)之间的干涉的第一测量模式以及用于测量具有垂直的
偏振特性的测量信号与参考信号之间的干涉的第二测量模式。
在步骤S103处，可以基于操作参数而针对第一测量模式和第二测量模式中的一种
来设置测量装置10。例如，可以针对第一测量模式来设置测量装置10。
在步骤S105处，测量装置10可以驱动光源105。
在步骤S107处，可以基于从参照图1描述的光源101发射的光来产生测量信号、
参考信号和干涉信号。图像获取器121可以基于干涉信号来获取物体20的图案。
如参照图1所描述的，从光源101发射的光的偏振特性可以被具有根据操作参数的
偏振特性的第一偏振器103改变。例如，第一偏振器103可以具有S波偏振特性或P波
偏振特性。由第一偏振器103提供的偏振光可以被划分为从分束器105反射的第一分光
和传输穿过分束器105的第二分光。
第一分光可以通过第二偏振器107而被转变为径向偏振光。当S波传输穿过第一偏
振器103时，S波可以通过第二偏振器107而被转变为具有TE模式的径向偏振光。径
向偏振光可以通过第一物镜109入射到物体20。从物体20反射的图案反射光可以通过
第一物镜109入射到第二偏振器107。图案反射光可以通过第二偏振器107而被转变为
线性偏振光。图案反射光可以再次入射到分束器105。
第二分光可以通过波片111和第二物镜113入射到反射器115。第二分光可以从反
射器115反射。镜面反射光可以通过具有根据用于第一测量模式的操作参数的相位旋转
角度(例如，大约0°)的波片111而入射到分束器105。
因此，具有相同偏振特性的图案反射光(即，测量信号)与镜面反射光(即，参考
信号)之间的干涉信号可以从分束器105产生。干涉信号的图像可以在第一测量模式期
间通过具有与第一偏振器103的偏振特性基本上相同的偏振特性的检测器117而被提供
给聚光器119。图像获取器121可以获取图像。
因此，可以获取基于图案反射光(测量信号)与镜面反射光(参考信号)之间的干
涉信号的图像信息。
在第一测量模式期间，第一偏振器103可以具有S波偏振特性。波片111可以具有
大约0°的相位延迟以提供与测量信号具有相同的偏振的参考信号。检测器117可以具有
S波偏振特性。相反地，在第一测量模式期间，当第一偏振器103具有P波偏振特性时，
波片111可以具有大约0°的相位延迟，且检测器117可以具有P波偏振特性。
在步骤S109处，分析单元350可以在第一测量模式中分析物体20的图案图像。
在步骤S111处，然后可以执行第二测量模式。
因此，在步骤S111处，可以根据第二测量模式来改变操作参数。然后可以顺序地
执行上述的步骤。
在第二测量模式期间，可以从分束器105产生具有垂直的偏振特性的图案反射光
(即，测量信号)与镜面反射光(即，参考信号)之间的干涉信号。当针对第二测量模
式设置操作参数时，波片111可以被提供有与预定相位延迟相对应的旋转角度(例如，
大约22.5°)。检测器117可以具有与第一偏振器103的偏振特性基本上垂直的偏振特性。
例如，当第一偏振器103在第二测量模式期间具有S波偏振特性时，波片111可以
被提供有大约22.5°的旋转角度。检测器117可以具有P波偏振特性。相反地，当第一偏
振器103在第二测量模式期间具有P波偏振特性时，波片111可以被提供有大约22.5°
的旋转角度。检测器117可以具有S波偏振特性。
在步骤S109处，分析单元350可以在第二测量模式期间分析物体20的图案图像。
分析单元350可以汇集并分析第一测量模式和第二测量模式的图像以获取物体20的最终
图案。
在各种实施例中，物体20的图案可以通过使用驱动单元430垂直地移动传送单元
420来检测。当用物体20在垂直方向上的位置改变来检测物体20的图案时，可以更精
确地测量图案图像。
尽管半导体集成电路可以具有高的纵横比和具有比光的波长小的间距的图案，但是
也可以使用该测量装置来可靠地获取物体的图案图像。因此，可以防止图案故障的产生
使得可以提升半导体器件的良品率。
本发明的以上实施例是说明性的而非限制性的。各种替代和等同物是可能的。本发
明不通过本文中描述的实施例来限制。本发明也不局限于任何特定类型的半导体器件。
基于本发明的其他添加、删减或修改是明显的，且意在落入所附权利要求的范围之内。