專利名稱：用于非破壞性地確定薄膜中元素的分布輪廓的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施方式關于一種用于提取沉積于薄膜或超薄膜中的一種或 多種元素的深度分布信息的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
在眾多不同類型設備的制造中，對樣品成分的分析是必不可少的。樣品 成分是薄膜中元素和/或化學物類的濃度。需要進行成分分析的樣品的示例為 形成于半導體集成電路設備中的柵氧化物薄膜。隨著半導體設備中集成電路 芯片的密度增大以及半導體設備的尺寸一再減小，樣品分析變得愈加困難和 復雜。
例如，在半導體設備的制造中的新近發(fā)展是可以采用淺植(shallow implant)和/或其他超薄結構。在一個特定的實施例中，柵氧化層變?yōu)榉浅?薄的膜，通常厚度小于10納米。如此薄的膜難以表征特性。這樣的結構將 需要比傳統(tǒng)表征技術敏感度更高的表征技術。此外，這樣的技術還需要表征 過程以足夠的速度進行。
不同的技術已用于這種材料中的微量和/或主要成分的表面分析。例如， 這些方法中的若干種包括二次離子質譜(SIMS)、 X射線光電子能譜(XPS) (也稱為用于化學分析的電子能譜(ESCA))、以及俄歇電子能譜(AES)。這樣的技術對于材料的近表面區(qū)域是敏感的。但是，這些技術不允許通過深 度剖析方法對表面下方深度功能的材料性質的測量。
在典型的深度剖析過程中，例如，連續(xù)或周期性的離子束濺射將材料從 樣品表面除去，以在樣品的一個或多個不同深度上逐漸暴露出更深的材料， 用以進一步測量和/或分析。通常己知的濺射速度可用于確定表面測量完成的
深度。同樣地，作為表面下方深度功能的樣品特性可通過使用SIMS、 XPS 或AES來獲取。
上文中描述的許多用于表征薄膜的技術為侵入性技術，例如，這些技術 涉及對樣品至少一個或多個部分的破壞。這樣的技術，例如利用在深度輪廓 分析過程中除去材料的技術，在如研發(fā)、產(chǎn)品測試等許多環(huán)境中是有效的， 但是這些技術不提供快速分析薄膜的能力，而這是在生產(chǎn)過程中必不可少 的。例如，在這樣的生產(chǎn)過程中，成型薄膜通常需要在沒有由于這種薄膜的 侵入性表征而產(chǎn)生產(chǎn)品損失的情況下進行分析，從而使這些信息能夠用于生 產(chǎn)控制、產(chǎn)品測試等環(huán)節(jié)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施方式涉及一種用于檢査微電子結構的方法和系統(tǒng)，且特別 涉及利用光電子能譜來檢測薄膜中的一個或多個元素的深度分布的系統(tǒng)和 非破壞性方法。
本發(fā)明的實施方式還涉及一種用于檢查微電子結構的方法和系統(tǒng)，且特 別涉及一種利用光電子能譜來檢測薄膜中的一個或多個元素的分布質心的 系統(tǒng)和非破壞性方法。
本發(fā)明的實施方式還涉及一種用于設計和/或監(jiān)視薄膜中的一個或多個 元素的工藝過程和/或制造過程的方法。僅在一個或多個可靠控制參數(shù)可用的 情況下，精確的材料制造控制才能得以實現(xiàn)。經(jīng)確定的深度分布質心(薄膜/層中待測元素的質量分布的中心的深度)以及該質心與層厚度之間的比率可 在流程設計、監(jiān)視和控制中被用作控制參數(shù)。這些參數(shù)是在特定薄膜上的工
程/制造設備的電性質的精確預報器。例如，對于SiON薄膜，在晶體管設計 中，經(jīng)確定的元素深度分布的質心以及該質心與薄膜厚度之間的比率與驅動 電流、電荷遷移率以及閾值電壓相關聯(lián)。該經(jīng)確定的質心也能用于計算對薄 膜中元素的劑量的校正，該劑量可應用于通過傳統(tǒng)光電子能譜測量(如XPS 測量)的標準劑量，從而提高劑量與電子參數(shù)之間的關聯(lián)。給定元素的劑量 可用于預測EOT (等效氧化層厚度)和泄漏電流，因此也可用于流程控制。 通過使用該質心信息，所述劑量的XPS測量的精確度可得到極大改善。
在光電子能譜測量系統(tǒng)中，通過一些激發(fā)方法(例如以能量高于給定元 素軌道的電離能量的光子通量對樣品進行照射)使電子從特征元素中電離。 在探測器中，在一定的固定角度內脫離樣品表面的被電離的電子的數(shù)量作為 該電子的能量的函數(shù)而被計數(shù)。
從給定的元素軌道電離的電子(電子核素)將在廣泛的能量范圍內被檢 測，因為通過與發(fā)射出的電離原子的無彈性散射相互作用(固有損失)、與 該薄膜晶格中的原子的無彈性散射相互作用(體積散射)以及與界面上的原 子的無彈性散射相互作用(表面散射)，這些電離的電子都將會損失能量。
說明體積散射和表面散射的電子轉移模型被一些作者開發(fā)并出版，且同 樣被開發(fā)并出版的還有當由給定核素發(fā)射出的光電子的原始能量分布(固有 能譜)己知時，模擬這些光電子的能譜的技術。
光電子能譜包括由具有不同深度分布的不同元素發(fā)射出的若干電子核 素的能譜的疊加。每個核素損失的能量的總量取決于光電子在薄膜中行進的 時間長短，即取決于光電子初始的深度。理論上，如果給定薄膜中單個元素 的深度分布，則固有能譜(脫離原子的光電子的能量分布)可通過從所測量 到的能譜中去除體積非彈性散射和表面非彈性散射的影響而從由該元素的每一單個核素發(fā)射出的光電子的能譜來獲得。實際上，測量到的能譜包括若 干元素及其若干核素的疊加，且由于在該能譜中多個核素被疊加，因而沒有 數(shù)學方法可用于容易地提取所述多個核素的固有能譜。
在本發(fā)明的一個主要的方面中，提供若干種分析能譜和對一個或多個核 素的能譜影響進行分離(經(jīng)預處理的能譜)的方法。
本發(fā)明的一種實施方式涉及一種從不同核素發(fā)射出的信號(背景能譜) 中隔離由第一核素發(fā)射出的信號(信號能譜)的方法，所述不同核素的初始 發(fā)射動能大于所述第一核素的動能。由不同核素發(fā)射出的光電子將通過非彈 性散射損失能量，且將在與來自該第一核素的光電子相同的能量范圍內被檢 測到。因此，被檢測到的能譜為背景能譜和信號能譜的總和。
本發(fā)明的一種實施方式涉及通過獲取所述背景能譜的獨立測量而從測 量到的能譜中去除背景能譜，例如通過收集樣品(背景樣品)的光電子能譜， 該樣品(背景樣品)具有不包括被分析的元素的相同的感興趣樣本的體積/ 表面性質。
在許多情況下，這種背景樣品不易得到。本發(fā)明的一種實施方式涉及一 種在薄膜上收集和存儲若干背景能譜的方法，該薄膜因為一個或多個定義參 數(shù)(厚度、密度等等)而不同。該背景能譜用于通過在這些在參數(shù)空間中的 能譜之間的插值而為特定樣品重建合適的背景，該參數(shù)空間描述了每個背景 樣品之間的差異(厚度、密度等的差異)。
本發(fā)明的另一種實施方式涉及一種利用電子轉移理論從主要原理來重 建合適的背景能譜的方法。組成大量薄膜的大多數(shù)背景元素是已知的或具有 統(tǒng)一的深度分布。因此，當每個處于高發(fā)射動能的核素的固有能譜已知時， 全背景能譜可得以重建、標準化和去除，以分離由具有未知深度分布的核素 發(fā)射的光電子的能譜。
本發(fā)明的一種實施方式涉及一種利用已知深度分布的一組參考晶片來獲取多種核素的固有能譜的方法。該方法包括激發(fā)并獲取來自元素深度分布 已知的薄膜的光電子能量信號，以及獲取強度能譜。該強度能譜在動能區(qū)域 (分區(qū))可被細分，每個動能區(qū)域(分區(qū))含有相同元素(相同深度分布) 的一個或多個核素的發(fā)射能量峰，且每個動能區(qū)域(分區(qū))延伸至低于該發(fā)
射能量至少20-40eV。每一核素的固有能譜針對每個能量分區(qū)被確定。該固 有能譜的確定始于最高動能的分區(qū)(初始區(qū)域)。該初始區(qū)域包括由具有較 小電離能的核素所發(fā)射出的輻射。該核素的能譜不需要在對其分析前進行背 景去除(除了可被近似為固定/線性偏移的雜散輻射)。因此，該核素在能量 子區(qū)域中的固有函數(shù)可通過使用任何可用的反巻積技術(基于反演、回歸等 方法的傅立葉變換)來進行提取。然后，該固有函數(shù)被外推(extrapolate) 至該核素的整個能量區(qū)域。這種外推可通過選擇任何隨機的函數(shù)形式來完 成，例如簡單的多項式擬合或指數(shù)形式的函數(shù)，只要該函數(shù)滿足在適當?shù)姆?圍內降至零且產(chǎn)生用于對與觀測一致的薄膜中的其他核素進行分析的背景 能譜的物理要求。然后，該最高動能核素的固有函數(shù)被用于再次產(chǎn)生在整個 能量范圍的模擬能譜。該再次產(chǎn)生的能譜為次高發(fā)射動能核素的背景能譜， 且因而，該再次產(chǎn)生的能譜將被從測量到的能譜中去除以獲取經(jīng)處理的能 譜。在該經(jīng)處理的能譜中，從次高動能范圍中發(fā)射的核素可以用與第一核素 相同的方法進行分析。
本發(fā)明的一種實施方式還涉及一種確定薄膜中元素的分布輪廓的方法。 該方法包括激發(fā)并獲取來自第一薄膜的光電子能量信號、獲取與該電子能量 相關聯(lián)的第一強度能譜、以及從該第一強度能譜中去除背景能譜。該背景能 譜可通過任何先前描述或此處所述的方法獲取。去除該背景能譜將產(chǎn)生經(jīng)處 理的能譜。該方法進一步包括為深度分布選擇參數(shù)，該深度分布僅獲取可用 信息?？捎眯畔⒌暮x如下文所說明。深度分布可通過其分布矩(質心=第 一階矩，寬度=第二階矩，非對稱性=第三階矩等等)來進行唯一確定。非彈性散射信號可以以作為深度和非彈性平均自由程之間的比率的函數(shù)的減小 振幅的總和來表示，其中深度和非彈性平均自由程均各自乘以分布矩。具有 期望的可重復性能的分布矩的給定階數(shù)的檢測取決于S/N比率。檢測到的矩
的階數(shù)越高，要求的信噪(S/N)比就越好。例如，對于第一薄膜中的給定 元素而言，該薄膜的S/N級別可使僅第一階矩(質心)能以期望的可重復性 被檢測到，而對于第二薄膜中的元素而言，該薄膜的S/N級別可使深度分布 的多個階數(shù)均被檢測到。在一種實施方式中，深度分布的參數(shù)是針對具有固 定形態(tài)分布和可變質心的第一薄膜而選擇的。真實深度分布和簡化深度分布 之間的信號差異將掩蓋在噪聲中，因此對該信號不產(chǎn)生影響。在本發(fā)明的一 種實施方式中，深度分布的參數(shù)將由一組適當選擇的參數(shù)組成。在一種實施 方式中，均一分布(均勻薄膜)以階梯函數(shù)的寬度被確定，且峰狀分布通過 其最大值的深度和曲線寬度而被確定。在一種實施方式中，高斯形分布用于 檢測首先的兩個矩、寬度和質心。 一旦該深度分布的參數(shù)被選定，則經(jīng)處理 的能譜和作為所述參數(shù)的函數(shù)的模擬能譜之間的差異被最小化以確定該深 度分布。在一種實施方式中，通過使用電子轉移模型和假定的深度分布來獲 取模擬能譜。然后使用傳統(tǒng)的最小化算法來進行最小值運算，例如單純型算 法、列文伯格一馬夸爾特法(LevenbergMarquardt)算法或用于在預先計算 的能譜數(shù)據(jù)庫中的最佳匹配的搜索。該最小化的結果中包括關于薄膜中該元 素的分布輪廓的信息。
本發(fā)明的實施方式還涉及一種確定薄膜中元素的分布輪廓的方法。該方 法包括激發(fā)并獲取來自第一薄膜的光電子能量信號、獲取與該電子能量相關 聯(lián)的第一強度能譜、以及從該第一能譜中去除背景能譜。該背景能譜可通過 任何先前描述或此處所述的方法獲取。去除該背景能譜將產(chǎn)生經(jīng)處理的能 譜。該方法進一步包括對待測元素的深度分布進行參數(shù)確定，并將獨立測量 到的該核素的固有能譜與來自經(jīng)處理的能譜的固有能譜之間的差異進行最小化，該固有能譜還作為深度分布參數(shù)的函數(shù)。傳統(tǒng)的最小化算法可用于執(zhí)
行最小化運算，例如單純型算法、LevenbergMarquardt算法或用于在預先計 算的能譜數(shù)據(jù)庫中的最佳匹配的搜索。該最小化的結果中包括關于第一薄膜 中該元素的分布輪廓。
在一種實施方式中，元素的質心從分布輪廓中得以確定。薄膜中元素的 質心為薄膜中該元素的質量濃度中心的深度。該薄膜大多數(shù)的物理性質可由 該質心的信息來確定。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，該質心值被用于預測在該薄 膜上或薄膜內制造的設備的電性質和/或用于控制或監(jiān)視該設備的制造工藝。
本發(fā)明的一種實施方式還提供一種用以實時模擬具有已知分布輪廓的 模型能譜的方法。給定核素的深度分布的統(tǒng)計系數(shù)(在電子轉移理論中已知 為部分強度一PI系數(shù))特性和散射過程(彈性和非彈性)能夠被預先計算， 例如，通過使用蒙特卡洛法(Monte Carlo)或其他合適的方法。該PI系數(shù) 可用于深度分布的稀疏集(sparse set)的預先計算并存儲在PI系數(shù)數(shù)據(jù)庫中。 在該數(shù)據(jù)庫中可對該組作為定義相關深度分布的參數(shù)的函數(shù)的PI系數(shù)進行 組織。若干種插值技術可用于對該PI進行插值，例如N維線性或更高階的 多項式插值。在對與隨機深度分布相關聯(lián)的能譜進行實時模擬的過程中，通 過在描述該深度分布的參數(shù)空間中插入經(jīng)預先計算的PI系數(shù)來建立合適的 PI系數(shù)。然后，該被插入的PI系數(shù)被用于重建能譜，該能譜被用作模擬能 譜(例如背景能譜或關于感興趣的元素的信號能譜)或被用于重建散射影響， 該散射影響可被從經(jīng)處理的能譜(如前所討論的)中去除以獲取固有能譜。 如果關于所述深度分布的稀疏集的全部能譜被存儲，那么即可完成同類型的 插值方案，但是這種存儲將需要數(shù)據(jù)庫具有更大的存儲空間。
在本發(fā)明的另一個方面中，描述了一種直接從同種元素的多個核素的衰 減中提取該元素深度分布的質心的方法。
在本發(fā)明的另一個方面中，提供了一種確定在樣品薄膜中的元素的分布輪廓的質心的方法。該方法包括激發(fā)并獲取來自該薄膜中同種元素的兩種核
素的光電子能量信號，并獲取該光電子信號的強度比率(例如，對于SiON 中的氮元素，獲取一個Nls光電子和一個NKLL俄歇光電子)。針對一組已 知特定元素(如氮)的質心的樣品獲取一組信號強度的比率，以產(chǎn)生校準函 數(shù)。樣品薄膜的信號強度的測量到的比率與該校準函數(shù)相關聯(lián)，從而確定該 元素分布輪廓的質心。薄膜中該元素的質心為該薄膜中該元素的質量濃度的 中心深度。該薄膜的大多數(shù)物理性質可通過使用質心值來確定。在本發(fā)明的 一個方面中，該質心值被用于預測在該薄膜中或薄膜上制造的設備的電性質 和/或控制/監(jiān)視該設備的制造工藝。
深度分布信息還可從以不同發(fā)射角收集到的非散射電子的強度的衰減 中提取，例如使用角分辨X射線光電子能譜(ARXPS)。文獻中描述的方法 基于一種假設，該假設為從深度z發(fā)射出的且以發(fā)射角0收集到的非散射電
子按因子el^來衰減?？赏ㄟ^將測量到的衰減與期望衰減之間的差異最優(yōu) 化來建立粗略的深度分布，其中測量到的衰減為0的函數(shù)，期望衰減假設待 測元素的深度分布，即將作為元素深度分布iV(z)的函數(shù)的測量到的衰減(e)
-p^V(^;e^^最小化。這種測量受到由于忽略了所有電子在穿過材料/真空
界面時所經(jīng)歷的衰減的角度依賴性而引起的系統(tǒng)誤差以及由于忽略了因為 彈性散射所帶來的角度四散而引起的系統(tǒng)誤差的影響。
在本發(fā)明的一種實施方式中，我們提出了一種方法，該方法在不同收集 角度上收集電子能譜，并通過使用反巻積技術(一種或多種可被用于例如快 速傅立葉變換反巻積或沃納(Werner)博士反巻積定理的技術)來減去由于 在最小化之前界面交叉所引起的系統(tǒng)誤差，從而消除來自該能譜的表面散射 的影響，從而對數(shù)據(jù)進行預處理。對于以使待測元素的深度分布擴展到典型 的彈性散射長度的方式來進行工程設計的樣品而言，能被分析的所述經(jīng)預處理的信號包括彈性散射對于改善結果精確性的影響。通過將彈性散射的影響 包括在對衰減的建模中來完成這種分析。將作為角度的函數(shù)的測量到的衰減 與所預測的衰減之間的差異作為假設的深度分布的函數(shù)而最小化，所預測的
衰減是通過包括彈性散射影響在內的蒙特卡羅(Monte Carlo)模擬法對給定 的深度分布的衰減預測?？赏ㄟ^如上文所述的對所述深度分布進行參數(shù)確定 以及預先計算作為稀疏集參數(shù)的角度函數(shù)的衰減并將該衰減存儲于數(shù)據(jù)庫 中，來減小對于蒙特卡洛模擬的最小化速度的影響。特定深度分布所需的衰 減值可通過數(shù)據(jù)庫插值來獲取。
在本發(fā)明的若干實施方式中，我們已經(jīng)描述了通過插值從一組預先測量 或預先計算的能譜中得到信號的實施方式，所述插值作為一種無需特定地測 量期望信號或產(chǎn)生該期望信號就可獲取該期望信號的技術。在最小化處理過 程中產(chǎn)生的信號僅僅用于計算品質因數(shù)。品質因數(shù)通常被定義為單個數(shù)值， 該數(shù)值是測量到的信號與被模擬的信號之間差異的量化，例如均方誤差被定
義為
品質因數(shù)=z(所測量的能量-模擬能量)2
能量
解決最小化問題的另一種可替代的方法為首先預先計算與所有包括在 稀疏數(shù)據(jù)庫中的經(jīng)預先計算的模擬能譜相關聯(lián)的品質因數(shù)(稀疏品質因數(shù))。 每個經(jīng)預先計算的稀疏品質因數(shù)的值與一組唯一地定義深度分布的參數(shù)相 關聯(lián)。該稀疏品質因數(shù)能夠被精確地插值以產(chǎn)生品質因數(shù)表面。深度分布參 數(shù)空間中該表面的最小化可容易地通過眾多最小化搜索方法中的一種來實 現(xiàn)，例如求根法或最陡下降法。該表面的最小化對感興趣元素的深度分布輪 廓進行定義。
其他實施方式也得到了描述。通過以下結合附圖的詳細說明，本發(fā)明的 其他特征和優(yōu)點將變得顯而易見，所述附圖通過示例的方式對本發(fā)明的原理 進行了闡述。


本發(fā)明的實施方式以實施例的方式進行說明，且不受到附圖中的圖示的 限制，在這些附圖中，類似的參考標記表示類似的元件。本發(fā)明可通過下述 用于闡明本發(fā)明實施方式的說明書和附圖而得到最好的理解。應當注意的 是，在本說明書中本發(fā)明的"一"或"一種"實施方式未必指同一實施方式， 而是指至少一種實施方式。在附圖中
圖1-3顯示了可用于本發(fā)明某些實施方式的示例的分析系統(tǒng)；
圖4顯示了分析薄膜中元素的分布輪廓的示例的過程；
圖5顯示了確定樣品薄膜中元素的分布輪廓的示例的方法；
圖6顯示了另一種確定樣品薄膜中元素的分布輪廓的示例的方法；
圖7顯示了一種確定用于樣品薄膜的背景能譜的示例的方法；
圖8-9以圖示顯示了背景去除方法；
圖IO顯示了示例的可能的分布輪廓；
圖11-12顯示了一種使用強度比率來確定薄膜中元素的質心值的示例的 方法；
圖13顯示了可被用在使用信號強度比率來確定樣品薄膜中元素的分布 輪廓的質心值的方法中的校準曲線；
圖14顯示了具有代表薄膜中多種元素的多個電子信號的示例的能譜；
圖15-16顯示了通過采用用于背景去除的模擬能譜來模擬一個或多個能 譜的示例的方法，以及對薄膜中的多種元素進行分析的方法；以及
圖17-18顯示了根據(jù)本發(fā)明一種或多種實施方式的示例的過程。
具體實施例方式
參考特定配置和技術對示例的實施方式進行了描述。本領域的普通技術 人員能夠理解在所附權利要求的范圍內所做出的各種變化和修改。此外，己知的元件、設備、成分、電路和工藝步驟等未詳細列出。
本發(fā)明的實施方式涉及一種用于提取沉積于薄膜或超薄膜中的一種或 多種元素的深度分布信息和/或質心值的方法和系統(tǒng)。所述薄膜的膜厚度小于
20nm，大多數(shù)情況下小于10nm，甚至小于2nm?？深A期的是，本發(fā)明的實 施方式也可類似地應用于分析厚度大于或約等于20nm的薄膜。在本發(fā)明的 一個主要方面中，薄膜中元素的深度分布輪廓得以確定。首先，在一個或多 個相對于樣品表面正常方向的角度上收集到的一個或多個測量到的能譜(或 一個測量到的能量信號)被收集。其次，針對該薄膜中的所述元素而獲取的 測量到的能譜的背景被從測量到的能譜中去除。所用的背景信息通過使用采 用一組選定的背景能譜的插值方法來獲取。在一種實施方式中，測量到的能 譜通過使用光電子能譜系統(tǒng)而獲取，例如X射線光電子能譜(XPS)。被去 除背景的測量到的能譜指的是針對所述元素的經(jīng)處理的能譜。然后，該經(jīng)處 理的能譜與模型化的或模擬的能譜或能量信號進行匹配。在一種實施方式 中，使用最優(yōu)化和最小化方法以將該經(jīng)處理的能譜與模擬能譜進行匹配，該 模擬能譜作為選定參數(shù)的函數(shù)，所述參數(shù)定義了所述元素的分布輪廓。當該 經(jīng)處理的能譜與特定的模擬能譜之間的差異為最小時，與特定的模擬能譜相 關聯(lián)的參數(shù)即提供薄膜中所述元素的分布輪廓。
在本發(fā)明的另一個主要方面中，元素深度分布的質心值通過使用信號強 度比率而得以確定，該信號強度來自同種元素的不同動能的發(fā)射信號(例如， 對于SiON中的氮，Nls光電子和NKLL俄歇光電子)。由于來自同種元素 (不同核素)，不同的發(fā)射線具有不同的動能。由于具有不同的動能，因此 來自每種核素的電子在穿過薄膜層時會受到不同的衰減。在穿越材料時，與 具有較低能量的電子相比，具有更高能量的電子受到的衰減更小。例如，將 氮作為示例的元素，來自氮的Nls核素的電子具有比來自NKLL核素的電子 更高的電子能量。在SiON薄膜中的氮元素分布的質心可通過使用Nls/NKLL強度的比率來確定。該強度比率由Nls和NKLL核素分別在不同發(fā)射能量的 不同的衰減長度X(Nls)和MNKLL)來控制。假設所述信號來自同種元素和同 樣的深度分布，則所述信號比率與該薄膜中該元素的質心相關聯(lián)。 一組關于 特定元素(例如氮)的一組已知質心的信號強度比率被提供以產(chǎn)生校準函數(shù)。 樣品薄膜的測量到的信號強度比率與該校準函數(shù)相關聯(lián)以確定該元素的分 布輪廓的質心。
通過上述討論，術語"元素"可指特定層或基片的化學成分。術語"元 素"也可指沉積在特定層或基片上的元素核素。例如，鉿氧化層包括鉿和氧 元素，而二氧化鉿層包括硅、氮和氧元素。"元素核素"或"光電子核素" 指具有特征能量的電子。單個元素可發(fā)射出若干不同的電子核素。例如，硅 基片可發(fā)射出兩種具有不同動能的不同的特征電子。 一個電子可從硅原子的 2p軌道發(fā)射，而另一個電子可從硅原子的2s殼層發(fā)射。在另一個實施例中， 氧氮化硅層可以發(fā)射出兩種具有不同動能的氮元素的不同的特征電子。 一個 電子可從氮原子的Nls軌道發(fā)射，而另一個電子可從氮原子的NKLL (俄歇 區(qū)域)發(fā)射。下文中的電子信號指的是屬于特定電子核素的電子流。例如， "氮Nls電子信號"包括由氮原子從Nls區(qū)域發(fā)射出的電子。例如，"氮NKLL 電子信號"包括由氮原子從俄歇區(qū)域或NKLL區(qū)域發(fā)射出的電子。下文中討 論的許多實施方式涉及當用光子轟擊層時所發(fā)射出的光電子或電子。每種元 素核素可發(fā)射出一種或多種光電子核素，這些光電子核素可包括光電子信 號。電子能量信號可具有單一值或以譜線顯示。
此處使用的特征化描述或分析指的是確定被分析的樣品的一種或多種 特征。例如，特征化描述可指樣品或部分樣品的分布輪廓或深度輪廓、樣品 中成分的濃度的確定、這些成分的分布或所述樣品的一個或多個其他的物理 或化學特性的確定，例如區(qū)域厚度、所述區(qū)域中的連接狀態(tài)、所述區(qū)域的元 素和化學成分。本發(fā)明特別地有利于確定所述濃度或樣品薄膜中相對于深度的劑量成分(例如元素和/或化學核素)。
通過上述討論，術語"分布輪廓(distribution profile)"通?？捎糜谥副?膜中沉積元素的沉積深度、沉積輪廓、沉積寬度以及質心值。分布的"質心
00
值"或"質心"的定義為質心=^-，其中W(z)為濃度深度分布且
o
z為深度。因此，該質心為薄膜中元素的平均深度，例如SiON薄膜中的氮 元素，或該元素質量中心的深度。"摻雜物"(dopant)通常指的是沉積于薄 膜中的元素(如氮)。"劑量"通常指的是沉積于薄膜中的元素或摻雜物的量 或濃度。
圖1-3顯示了可與本發(fā)明的一種或多種實施方式一起使用的示例的分析 系統(tǒng)。圖1主要顯示了用于特征化樣品1602的示例性的分析系統(tǒng)1600的一 種實施方式。該分析系統(tǒng)1600包括處理系統(tǒng)1604 (例如，計算機設備)，該 處理系統(tǒng)1604可在一個或多個程序1606的控制下運行以用于實現(xiàn)根據(jù)本發(fā) 明的實施方式的一個或多個不同的深度輪廓、質心確定和/或特征化描述過 程。
具有樣品表面1608的樣品1602可由一種或多種成分構成，和/或該樣 品1602可構成在基片1610上。術語"成分"此處定義為一種或多種元素和 /或化學核素。例如，這些成分可包括元素和/或化學核素，該元素和/或化學 核素由用于半導體制造、磁性存儲介質或上述其他多種應用中的任何一種的 材料構成。換句話說，例如，在半導體制造過程中，樣品可包括由氧、硅、 碳、氟、二氧化硅、氮等形成的層。
處理系統(tǒng)1604包括計算系統(tǒng)，該計算系統(tǒng)用于執(zhí)行計算機程序或軟件 1606以根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式來提供樣品的特征化描述。盡管處理系統(tǒng) 1604可使用程序1606來被執(zhí)行，該程序1606使用處理器設備來執(zhí)行，但是其他專門的硬件也可用于提供一些為了向用戶提供樣品的特征化描述所需
要的功能。同樣地，此處所描述的術語"處理系統(tǒng)1604"除了可執(zhí)行各種軟 件程序的處理器設備以外，還包括任何專用的硬件或計算機。
處理系統(tǒng)1604可為例如任何固定或移動的計算機系統(tǒng)，例如個人計算 機和/或任何其他的專門計算單元，該專門計算單元作為根據(jù)本發(fā)明可用的分 析儀器的功能部件或補充部件。所述計算機系統(tǒng)的具體配置不受限制，且根 據(jù)本發(fā)明，絕大多數(shù)能夠提供適當?shù)挠嬎阈阅芎?或控制性能的任意設備都可 被使用。并且，各種外圍設備，如計算機顯示器、鼠標、鍵盤、打印機等均 可被考慮與處理系統(tǒng)1604中的處理器結合使用。例如，計算機顯示器打印 機可用于顯示深度輪廓信息，例如深度輪廓曲線，這些曲線顯示了在樣品各 深度上的成分(如元素和/或化學核素)濃度、在特定深度上的整個樣品的成 分分布、該成分的能譜等。
根據(jù)本發(fā)明的分析系統(tǒng)1600包括X射線源1612，該X射線源1612用 于以X射線1614照射樣品1602，從而導致光電子從該樣品1602中逃逸。 如圖1所示，X射線1614深深地穿入樣品表面1602，激活光電子1616和 1618以使該光電子1616和1618從樣品1602中逃逸。
分析系統(tǒng)1600還包括分析器1620，該分析器1620用于檢測從樣品中逃 逸的光電子1616和1618。分析器1620用于檢測光電子以便產(chǎn)生代表該光電 子檢測的信號以用于樣品1602的分布輪廓分析。來自該分析器的信號與檢 測到的光電子的強度相關聯(lián)，該信號被提供給計算機設備，該計算機設備對 這些信號進行運算以提供光電子能量信息，且由此提供存在于樣品表面中被 分析深度上的成分的信息。分析器系統(tǒng)1600可替換為傳統(tǒng)的XPS系統(tǒng)、紫 外光電子能譜(UPS)系統(tǒng)、俄歇能譜系統(tǒng)等等，或與上述這些系統(tǒng)結合使 用。
圖2更詳細地顯示了根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式用于實現(xiàn)特征化描述的分析系統(tǒng)71的部分的示例性的實施方式。圖2所示的分析儀器71用于分析 樣品2 (該樣品可以是前文所述的樣品1602或其他樣品)，該分析儀器71 提供了一種圖1中主要顯示的X射線源9、分析器7以及計算機設備13的 更為詳細的示例性的實施方式。在Larson等人于1994年5月24日授權的名 為"Scanning and High Resolution X-ray Photoelectron Spectroscopy and Imaging."的美國專利5,315,113中已對圖2進行了描述。圖2的詳細圖表為 根據(jù)本發(fā)明可使用的X射線源和分析器的一種示例性的實施方式，且圖2 的詳細圖表并不構成使本發(fā)明為任何此處所示的特定成分的限制。
圖2的儀器71包括電子槍16，該電子槍16具有合適的電子透鏡系統(tǒng) 18，該電子透鏡系統(tǒng)18用于將電子束20聚焦在目標陽極24的表面22上。 所述電子槍16可以為將傳統(tǒng)類型進行修改以對更高功率和更大波束尺寸最 優(yōu)化。槍束20聚焦于陽極表面22上的選定點上。該選定點優(yōu)選為在實際可 實現(xiàn)的前提下盡可能地小，如小至約4微米。電子束20在陽極表面的所述 點上的聚焦導致從陽極24、且特別是從所述選定的陽極點上產(chǎn)生X射線27。 電子槍可以為任何合適的槍，如可在20kV下以1瓦特到60瓦特功率運轉的 具有從4微米到50微米可選擇的電子束尺寸的電子槍，如美國專利5,315,113 中所描述的。
目標陽極24可以由任何金屬構成，例如提供了期望的X射線發(fā)射能帶 的鋁。例如，該能帶通常基本為較小能量寬度的線。優(yōu)選地，該目標陽極處 于或接近于地面電位，且該電子槍的陰極在例如-20kV的負電壓下工作，且 該陰極相對于陽極而影響包括預定能量的X射線的期望能帶的X射線的產(chǎn) 生。在一種優(yōu)選實施方式中，選定的能帶為1.4866keV下的鋁K-阿爾法 (alpha)線。
偏轉板28選擇性地將從電子槍16射出的電子束20指向或瞄準陽極24 上的所述點，該點選自陽極表面22上同類型點的陣列。來自偏轉板控制器30的電壓由處理器76通過線路80進行控制，該電壓被施加到在x軸和y 軸方向上排列的所述偏轉板以建立電子束的偏轉量，且由此建立所述點的選 定位置。該點可以保持固定。可替換地，控制器30可提供橫穿陽極平面聚 焦的電子束20的光柵，例如，橫穿陽極表面的陽極點的陣列，且X射線27 隨后從連續(xù)的陽極點發(fā)射。例如，光柵速度在色散方向上可為100Hz，且在 無色散方向上可為10kHz。
優(yōu)選為單晶石英的布拉格(Bmgg)晶體單色儀34被放置以用于接收來 自陽極24的X射線27的一部分。該單色儀具有結晶取向(crystallographic orientation)和凹面酉己置(concave configuration) 35以用于當在樣品表面12 上的X射線點被進行分析時，在例如K-阿爾法線的所期望的能帶中選擇并 聚焦X射線束36。所述X射線點為陽極點在樣品表面12上的圖像。可替換 地，所述X射線點的光柵可用于覆蓋樣品表面的期望的區(qū)域。樣品2停留在 階段40，該階段40優(yōu)選為具有正交測微定位器(orthogonal micrometer positioners) 41，該正交測微定位器用于關于該儀器中的支撐物44進行手動 或機動地定位。樣品2可被移動以覆蓋更大的表面積。
盡管優(yōu)選使用布拉格晶體單色儀，但其他聚焦設備亦可能適用。該類聚 焦設備可以包括掠入射鏡、菲涅耳波帶板以及高低密度材料(如鎢和碳)交 替的合成多層設備。在每種情況下，反射鏡被彎曲以聚焦衍射X射線于樣本 上。
用于分析儀器71的元件的適當排列基于傳統(tǒng)的羅蘭圓(Rowland circle) 46。在這種排列中，陽極表面22、晶體34以及樣品表面12基本處在一個圓 上，例如，如Hammond等人于1973年11月13日授權的名為"Crystal Monochromator and Method of Fabricating a Diffraction Crystal Employed Therein."的美國專利3,772,522中所教導的。
X射線36使得光電子52從樣品的選定的活性像素區(qū)域(pixel area)上被發(fā)射。電子能量通常包括范圍在10eV以內的低能量峰，通常約為2至5eV， 以及在所選定的像素區(qū)域中表征化學核素(如化學元素和/或其電子鍵)的更 高的動能峰或線。在光柵的情況下，特征光電子隨著橫穿像素區(qū)域陣列的任 何化學性質的變化而變化，且低能量電子(通常稱為"次級電子")也隨著 表面狀況而變化。光電子的檢測和/或分析被用于提供關于樣品表面選定像素 區(qū)域或橫穿樣品表面的光柵陣列區(qū)域的信息。出于此目的，術語"光電子" 中也可包括俄歇電子，因為它們亦是由X射線引發(fā)的。
在本發(fā)明的一種實施方式中，電子能量分析器54接收部分光電子52。 該分析器可為已知的或期望的類型，通常為磁性或靜電的，該分析器根據(jù)電 子能量使光電子在預定線路68上發(fā)生偏轉，且之后到達探測器70。通常為 電信號(電流或電壓)的選定的控制信號被施加到偏轉器上以建立偏轉量， 從而代表在預定線路上發(fā)生偏轉的光電子的選定能量。在例如磁性棱鏡的磁 性分析器中，通過磁性線圈的電流信號被適當?shù)剡x擇，且在靜電分析器中， 偏轉電壓信號被選擇。
靜電能量分析器的一種有用的類型為圓柱狀類型，這在Gerlach等人于 1977年9月13日授權的名為"Scanning Auger Microprobe with Variable Axial Aperture."的美國專利4,048,498中己得到描述。在一種優(yōu)選的可替換的實 施方式中，如圖4所示，分析器54為半球狀類型，如Watson于1973年10 月16日授權的名為"Apparatus and Method of Charge-Particle Spectroscopy for Chemical Analysis of a Sample."的美國專利3,766,381中所描述。該分析器 還包括透鏡系統(tǒng)56，如用于輸入到該分析器的靜電透鏡。該透鏡系統(tǒng)56具 有中軸57，該系統(tǒng)56位于沿著該中軸的方向。透鏡系統(tǒng)56可將物鏡和減速 功能相結合以用于收集從有效像素區(qū)域發(fā)射出的光電子，并將處于期望的動 能范圍中的光電子導入到分析器中。
靜電透鏡系統(tǒng)56可為傳統(tǒng)形式，例如為Physical Electronics公司出產(chǎn)的PHI Omnifocus IVTM透鏡。該透鏡應包括數(shù)對具有來自源62的施加電壓的正 交偏轉板。該電壓通過處理器76在該處理器的控制下與主電子束20的定位 或光柵的協(xié)作同步下被選擇、改變或振蕩，以用于集中離軸光電子，從而使 大部分電子達到縫隙84，并進入分析器54。
物鏡透鏡功能的一種可替換的選擇為磁性透鏡，優(yōu)選為已知為不同的浸 沒透鏡(immersion lens)、單極片透鏡(single pole piece lens)或通氣管 (snorkel)透鏡的類型，如在Gerlach于1989年3月7日授權的名為"Direct Imaging Monochromatic Electron Microscope."的美國專禾U 4,810,880中的描 述。這種物鏡透鏡位于樣品下方，從而透鏡的磁場可收集從樣品表面發(fā)射出 的大部分光電子。為達到此目的，所述樣品被置于浸沒透鏡附近，該樣品被 插入到該浸沒透鏡與分離的靜電透鏡間，這些透鏡形成所述透鏡系統(tǒng)。更一 般地，該樣品位于該浸沒透鏡和分析器之間。磁性透鏡可具有從光柵的部分 樣本表面發(fā)射出的電子的收集區(qū)域。
更進一步且優(yōu)選地，所述透鏡系統(tǒng)為具有兩個球形柵格的靜電透鏡，類 似于Physical Electronics公司出產(chǎn)的Omega 透鏡。這種透鏡系統(tǒng)被用于 Physical Electronics公司出產(chǎn)的PHI Quantum 2000型的用于化學分析的電子 能譜法的掃描微探針(PHI Quantum 2000 Scanning ESCA Microprobe )。
來自電壓源62的選定電壓通過線路69被施加到分析器半球64、 66的 兩端，選定能量的電子通過軌道68的狹窄范圍，從而脫離分析器而進入探 測器70。該探測器70可以為傳統(tǒng)的多通道探測器，例如，具有16條通道用 以探測在略微不同的軌道中經(jīng)過分析器的小范圍的電子能量。若期望或要求 某種類型的探測器，則還可在分析器和探測器之間額外放置透鏡(未示出)。
來自探測器70的相應于光電子輸入強度的信號在一條或多條線路72 (通過適當?shù)姆糯笃?，未示?上傳輸?shù)教幚韱卧?6的分析部分74，該分 析部分74結合了控制電子組件和計算機處理過程。該處理過程提供電子能量信息，且由此提供關于所存在的成分的信息，且這些成分從特定樣品的表 面區(qū)域發(fā)射出光電子。
所述信息被存儲、并在監(jiān)視器78上顯示，和/或以圖像、數(shù)字和/或圖表
的形式打印出來。通過線路80從處理器到控制器30，將顯示器(此處包括 處理過程)與電子束引導裝置28、 30相協(xié)作，從而在選定或經(jīng)掃描的表面 區(qū)域中的成分的映射被實現(xiàn)并顯示。該映射提供相應于選定的像素區(qū)域位置 或相應于樣品表面上的像素區(qū)域的光柵陣列的樣品表面信息。
儀器71的其他部分，如次級電子探測器88和提供離子100的電子槍98， 被使用為如美國專利5,315,113所述。
根據(jù)本發(fā)明且優(yōu)選地應用于薄膜的特征化描述，為了改善并且更迅速地 收集數(shù)據(jù)，所述透鏡系統(tǒng)56被置于與分析器成恒定角度。該透鏡系統(tǒng)56通 常沿著中軸57從光電子接收端59延伸到耦合于分析器54的半球部分的一 端。
回到分析系統(tǒng)1600 (圖1)，該系統(tǒng)被配置為從同一樣品1602的相同深 度上激發(fā)出多于一個電子。例如，該系統(tǒng)1600被配置為從樣品1602中激發(fā) 出兩個不同的光電子。在一種實施方式中，所述樣品包括SiON薄膜以及從 該SiON薄膜中被激發(fā)出的電子，這些電子與沉積在該SiON薄膜中的氮元 素相關聯(lián)。圖1顯示的分析系統(tǒng)1600被配置為激發(fā)出兩種不同的光電子1616 和1618。在一種實施方式中，光電子1616來自該薄膜的Nls區(qū)域，且光電 子1618來自該薄膜的俄歇(NKLL)區(qū)域。X射線源1612被顯示為一個單 元，但其可以包括不同的源，這些源可使得兩個或更多不同的光電子從樣品 1602中被激發(fā)。
如系統(tǒng)1600的分析系統(tǒng)對于實現(xiàn)本發(fā)明的一種或多種示例的實施方式 尤為有用。例如，系統(tǒng)1600用于測量具有已知的分布輪廓的樣品，所得到 的測量結果用于產(chǎn)生用于分析未知樣品的校準函數(shù)。用于該校準函數(shù)的測量結果由處理系統(tǒng)1604存儲并進行處理。當對未知樣品進行測量時，對此未 知樣品的測量結果也由處理系統(tǒng)1604進行處理，并通過該處理系統(tǒng)使用所 提供的校準函數(shù)來進行插值。
圖3顯示了可用于本發(fā)明一些實施方式的另一種示例的分析系統(tǒng)1800。 該分析系統(tǒng)1800類似于分析系統(tǒng)1600。除了與系統(tǒng)1600類似的一些組件之 外，該系統(tǒng)1800還包括建模系統(tǒng)1830，該建模系統(tǒng)1830可用于產(chǎn)生與模擬 分布輪廓相關聯(lián)的信號能譜或信號值。與系統(tǒng)1600類似，系統(tǒng)1800包括X 射線源1812、分析器1820以及處理系統(tǒng)1804。樣品1802包括在基片1810 上形成的薄膜1808，該薄膜可使用系統(tǒng)1800進行分析。
系統(tǒng)1800可用于實現(xiàn)本發(fā)明的一種或多種示例的實施方式。通常地， 在這些方法中，通過將樣品薄膜(如SiON)中的特定元素(如氮元素)的 測量到的能譜進行處理并將該測量到的能譜與模擬能譜進行比較來對樣品 薄膜進行分析以確定該樣品薄膜中所述元素的分布輪廓。在一個實施例中， 通過X射線源1812將X射線送入樣品薄膜1808并激發(fā)出光電子1816的方 式來獲取氮元素的電子能量信號。分析器1820對光電子1816進行檢測，并 產(chǎn)生與光電子1816相關聯(lián)的測量到的信號強度。
圖4顯示了一種示例的分析方法101，該方法說明了一種確定沉積于樣 品薄膜中的元素的深度分布輪廓的通用的新方法。該樣品薄膜可以沉積在或 以其他形式形成在基片或其他薄膜上。在操作100中，獲取元素的電子能量 信號。該元素的信號可以由該元素的能譜來表示。該元素使用各種方法在樣 品薄膜或基片上沉積。通常，對于沉積于薄膜上的元素，需要對該元素的沉 積深度、該元素的分布和/或該薄膜中的分布輪廓進行分析。在框102中，執(zhí) 行背景去除。在框104中，獲取經(jīng)處理的電子能量信號。當背景從電子能量 信號中被去除時，所獲取的信號值被稱為"經(jīng)處理的電子能量信號"。被移 除的背景包括由樣品薄膜中的主體材料獲取的能量信號，且其中不包括感興趣的元素。移除所述背景僅提供了感興趣的元素的能量信號的隔離，從而可 對樣品薄膜中沉積的元素進行分析。在框106中，為了開始所述元素的分布 輪廓確定，使模擬分布輪廓進行改變(最優(yōu)化)，直到與該模擬分布輪廓相 關聯(lián)的模擬能量信號與經(jīng)處理的電子能量信號相匹配。在一種實施方式中，
通過使用最小化和最優(yōu)化算法，如單純型算法或Levenberg Marquardt算法， 將經(jīng)處理的電子能量信號與模擬能量信號相匹配。當經(jīng)處理的電子能量信號 與特定的模擬能量信號之間的差異為最小時，匹配成功。因此，待測元素的 分布輪廓在框108中作為一個模擬分布輪廓被確定，該模擬分布輪廓用于計 算模擬能譜與經(jīng)處理的能譜的最優(yōu)匹配。
下文根據(jù)示例的方法101更詳細地討論本發(fā)明的各個方面。圖5顯示了 過程201的一種示例的實施方式，該過程201對沉積于樣品薄膜中的元素的 分布輪廓進行分析。在一種實施方式中，提供具有待分析的感興趣的元素的 樣品薄膜的基片(例如，晶片)(框200)。在一種實施方式中，感興趣的元 素為沉積在SiON薄膜上的氮元素。在其它實施方式中，提供了沉積在同一 薄膜或其他薄膜上的其它元素。沉積在各種類型的樣品薄膜上的大量元素可 通過使用本發(fā)明的實施方式而被分析。
樣品薄膜被置于諸如參考圖l-3所討論的分析系統(tǒng)中。分析系統(tǒng)的一個 實施例包括XPS。也可使用能從薄膜中激發(fā)出電子并由從該電子中釋放的能 量或用于激發(fā)出電子的能量中產(chǎn)生可讀結果的其他設備。在一種實施方式 中，以X射線照射(使用分析系統(tǒng)中提供的X射線源)樣品薄膜，從而導 致光電子從該樣品薄膜中逃逸。通過所述分析系統(tǒng)中提供的探測器對逃逸的 光電子進行檢測。在每個能量級被檢測到的光電子被計數(shù)，且該計數(shù)被轉換 為代表所述薄膜的能量信號(能譜)并被報告。該能量信號用于所述元素的 分析。在204中，該元素的測量到的能量信號或能譜被獲取。
然后，在212中，對該測量到的能量信號/能譜進行處理。在一種實施方式中，在處理該測量到的能量信號/能譜時，該測量到的能量信號/能譜的
背景信息206被移除或去除，如框208中所示。背景信息被移除后，在210 中獲取經(jīng)處理的能譜。
在216中，該經(jīng)處理的能譜被最優(yōu)化以確定樣品薄膜中元素的深度分布 輪廓。在216A中，通過將經(jīng)處理的能量信號/能譜與前文所述的模擬能譜之 間的差異最小化來獲取該深度分布，例如使用最小化算法。從該經(jīng)處理的能 譜中提取出固有能譜，且將該固有能譜與具有已知分布輪廓的固有能譜進行 最小化，以確定該元素的分布輪廓。
可替換地，在216B中，通過將參考固有能譜與所述的從經(jīng)處理的能量 信號/能譜中得出的固有能譜之間的差異進行最小化來獲取深度分布。該固有 能譜用于生成具有已知的分布輪廓的模擬能譜，并對照該經(jīng)處理的能譜進行 最小化以確定所述分布輪廓。
該元素的分布輪廓的確定基于218中最小化/最優(yōu)化處理的結果。
背景能量信號/能譜是由樣品薄膜中除了感興趣的元素以外的元素發(fā)射 出的信號/能譜，這些信號/能譜的發(fā)射動能高于待分析的核素的動能。在一 種實施方式中，為了尋找到合適的背景能量信號/能譜，獲取與一組參考薄膜 相關聯(lián)的一組參考背景信號/能譜。每一種參考薄膜與樣品薄膜相比，除了該 參考薄膜缺少待測元素之外，兩者都經(jīng)過類似的處理和形成過程。換句話說， 每一種參考薄膜除了不具有沉積于其上的感興趣的元素且該參考薄膜的厚 度與樣品薄膜的厚度不同或略微不同之外，該參考薄膜均類似于樣品薄膜。 用于分析樣品薄膜的同一分析系統(tǒng)被用來獲取參考薄膜的背景能量信號/能 譜。根據(jù)樣品薄膜的厚度，特定的背景能量信號/能譜被通過插值從該組參考 背景信號/能譜中重建，或如果厚度恰當?shù)脑?，僅從該組參考背景能譜中選擇。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的背景去除方法的一種示例的實施方式的方法 300，該背景去除方法用于樣品薄膜的所獲取的測量到的能量信號/能譜。在302中，不同參考薄膜的一組參考背景強度能譜被收集。這些參考薄膜包括
具有不同參考薄膜厚度的薄膜。這些參考薄膜厚度的范圍可為l-50nm，這 僅僅是厚度的一種示例的范圍。所選擇的參考薄膜厚度可覆蓋從較寬的厚度 選擇到較小的厚度選擇，樣品薄膜等類似物的厚度期望落入該范圍內。在一 種實施方式中，背景強度能譜為利用前文所提及的分析系統(tǒng)202所獲得的參 考薄膜的光電子能量信號。被用于參考薄膜的強度能譜為從該參考薄膜與樣 品薄膜相同的區(qū)域中獲得的能譜。
在304中，生成具有參考背景強度能譜的背景表，每個參考背景強度能 譜相應于各自的參考薄膜厚度。在一種實施方式中，該背景表包括作為厚度 (或深度)的函數(shù)的參考薄膜的強度能譜。該背景表可包括能與樣品薄膜相 比的參考薄膜的其他可測量的值(厚度、劑量等)。
在306中，樣品薄膜的厚度被確定。該樣品薄膜的厚度可使用各種方法 來確定。確定樣品薄膜的厚度的一種示例的方法在名為"Determining Layer Thickness Using Photoelectron Spectroscopy."的美國專利11/118,035 (代理人 巻號為7029.P026)中公幵，該專利的全部內容結合于此作為參考?？深A計 的是，也可采用其他適用于確定薄膜厚度的方法。經(jīng)確定的樣品薄膜的厚度 使得該薄膜可與所述參考薄膜組相比較，該參考薄膜組具有如前所述的測量 到的背景能量信號。所述參考薄膜的厚度也可利用類似的方法進行確定。
在308中，背景強度能譜從樣品薄膜中被移除。將樣品薄膜的測量到的 強度能譜與背景表中的能譜相比較，首先，確定該樣品薄膜的厚度是否與背 景表中參考薄膜中的一者的厚度相同。然后，若該薄膜厚度與背景表中參考 薄膜中的一者的厚度相匹配，則該特定的參考薄膜(具有相匹配的厚度)的 背景強度能譜被用于將背景從該樣品薄膜中去除。若該薄膜厚度未在背景表 中，則從背景表中插入或重建數(shù)值以獲取所述樣品薄膜的背景強度能譜。因 而，從樣品薄膜中去除的該背景強度能譜可為背景表中已存在的參考背景強度能譜或利用該背景表插入或重建的數(shù)值。
應當認識的是，盡管參考薄膜和樣品薄膜的厚度是用于背景能譜插值的 一個特征，但也可使用薄膜的其他適用或常規(guī)的特征。其他適用的特征的實 施例包括濃度、劑量、沉積寬度、沉積條件、薄膜構成等等。
圖7圖示出了一組具有各自的能量信號的一組示例的參考薄膜的示例的 能譜。應當理解的是，此處所示的能譜僅僅用于說明目的，且譜線的形狀和 相關數(shù)據(jù)可根據(jù)參考薄膜的特征而改變。更多或更少的能譜可包括于其中， 且該圖中所示的示例的能譜可僅代表少數(shù)實際執(zhí)行的特定實施方式。在一種 實施方式中，能譜形成于一組從特定薄膜獲取的強度讀數(shù)或數(shù)值中。
在圖7中，X軸402代表從薄膜中激發(fā)出電子所需的能量或這些電子的 動能，且y軸404代表從參考薄膜中激發(fā)出來并被檢測到的原子數(shù)目或電子 強度。所述原子數(shù)目或電子強度代表每一薄膜的能量信號并按照能量進行繪 圖。在一種實施方式中，針對每個參考薄膜產(chǎn)生一條傾斜的譜線。在本圖中， 顯示了針對六個參考薄膜所獲取的能量信號。這些參考薄膜的厚度范圍為 2A-30A，此僅為示例性厚度。其他厚度亦可包括其中。例如，2A處的譜線 表明厚度為2A的參考薄膜的信號。隨著參考薄膜厚度的增大，原子數(shù)目也 增大。在這種情況下，所有譜線的斜率隨著厚度平穩(wěn)地變化，因此未知厚度 的斜率值可通過插值來獲取。例如，對于厚度為X的樣品薄膜，該厚度在一 定的薄膜厚度之間，如在5A到10A之間，用于該樣品薄膜的背景能譜通過 對厚度為例如5A到10A的參考薄膜的背景能譜進行插值而得以重建。例如，
若樣品薄膜的厚度在5A到10A的范圍之內，則該樣品薄膜所建立的能譜能 量線為大致落在厚度為5A到10A之間的參考薄膜的能譜能量線之間的那條 能譜能量線。厚度為x的樣品薄膜的重建的譜線可被用于該樣品薄膜的背景去除。
圖8-9圖示出了包含有SiON的樣品薄膜的一種示例的背景去除結果。在圖8中，譜線602表明樣品薄膜的測量到的能量信號能譜，該測量到的能 量信號能譜包括背景信號以及氮元素的信號。在圖9中，如前所述，背景信 號被去除。譜線604代表僅由于氮元素所引起的能量信號。如前所述，將被 去除的背景信號通過將樣品薄膜的薄膜厚度與背景參考薄膜的一組薄膜厚 度相比較而被確定。該樣品薄膜的背景信號可為來自背景表的參考背景強度 能譜，或為利用插值重建的背景強度能譜。
在一種實施方式中，感興趣的元素為沉積于氧氮化硅(SiON)薄膜中 的氮元素。測量到的能量信號的大部分處于Nls光電子信號區(qū)域，且該信號 的大部分是緣自非彈性散射的Si (Si2p以及Si2s)光電子區(qū)域，該Si光電 子區(qū)域源于SiON薄膜(以及源于下方的基片)。在一種實施方式中，為了模 擬一組參考背景強度值，Nls區(qū)域被選擇。對于每個參考薄膜，在Nls能量 區(qū)域進行測量(在該參考薄膜中不存在氮元素)，該參考薄膜為Si02 (由于 在該參考薄膜中不存在氮元素)。隨后，對測量結果進行曲線擬合以預測每 個參考薄膜的譜線的形狀，該參考薄膜為特定薄膜厚度的Si02。該能譜的 Si02部分被稱為"通用背景"。該通用背景對于給定測量厚度的SiON薄膜 的影響被視為與從相同厚度的Si02薄膜擬合和外推而得的信號相同。在 SiON薄膜上被測量到的Nls信號區(qū)域與同樣Si02厚度的相應的通用背景之 間的差異被視為完全緣自來自該薄膜的非散射和非彈性散射的氮。該背景區(qū) 域的擬合和預測也可包括其他可能的表面污染層，如碳等。
圖10顯示了例如SiON中的氮元素的元素的模擬分布輪廓的若干實施 例。提供了模擬分布輪廓90A、 90B、 90C和90D。這些模擬的分布輪廓僅 用于說明目的，且其他的分布輪廓也完全是可能的。分布輪廓卯A、 90B、 90C和90D中的每一個都具有相關聯(lián)的能譜。對于輪廓90A-90D中的每一 個，所述元素的分布輪廓具有從沉積于薄膜中的該元素的總濃度的O.l到沉 積于薄膜中的該元素的總濃度的0.9的濃度范圍。對于所述輪廓90A-90D中的每一個，所沉積的元素的深度范圍為1A-7A。每個分布輪廓90A-90D的 分布輪廓均被存儲。每個輪廓相關聯(lián)的譜線也被獲取。若樣品薄膜的經(jīng)處理 的能譜(如能譜A)與輪廓90A的能譜值相匹配，則可預計的是，該樣品薄 膜中該元素的分布與輪廓90A中該元素的分布相類似。若樣品薄膜的經(jīng)處理 的能譜(如能譜A)與輪廓卯B的能譜值相匹配，則可預計的是，該樣品薄 膜中該元素的分布與輪廓90B中該元素的分布相類似?？僧a(chǎn)生或模擬各種分 布輪廓。相關聯(lián)的譜線也可被確定并存儲到數(shù)據(jù)庫中。諸如過程800的過程 可從所述數(shù)據(jù)庫中提取出特定的分布輪廓，并如前所述地進行比較。在一種 實施方式中，選擇特定的分布輪廓來與經(jīng)處理的能譜進行比較是自動化的和 /或連續(xù)的，直到經(jīng)處理的能譜找到匹配分布為止。
圖11顯示了利用相同元素的信號強度的比率的特征化描述過程105。在 過程105的一種實施方式中，電子能量信號被獲取以用于103中的樣品薄膜 中的元素。在110中，獲取所述元素的測量到的能量信號的比率。獲取來自 同種元素的至少兩個不同的電子核素。樣品薄膜的分析涉及利用來自同一元 素的兩種或更多種不同電子核素的元素的測量到的能量信號。在一種實施例 中，該元素為氮元素，且樣品薄膜為氧氮化硅薄膜。氮元素的兩種不同的特 征電子被發(fā)射出，且每一個特征電子具有與另一個不同的動能。在一種實施 方式中， 一個從氮原子的Nls軌道發(fā)射出的電子被稱為"Nls能量信號"， 而另一個從氮原子的NKLL (俄歇區(qū)域)發(fā)射出的電子被稱為"NKLL能量 信號"。在一種實施方式中，該元素的兩種測量到的能量信號的比率指示該 薄膜中所述元素的質心。在112中，該能量信號比率與校準函數(shù)相比較，以 確定在該樣品薄膜中的該元素的分布輪廓。
圖12顯示了確定薄膜(如SiON)中元素(例如氮)的質心的示例的方 法1400。在方法1400中，同種元素核素的兩種不同的能量信號的比率被用 于這種分析。在一種實施方式中，感興趣的元素為氮元素。在本實施方式中，氮元素在Nls區(qū)域和NKLL (俄歇)區(qū)域的能量信號被用于這種分析。在不 超出本發(fā)明范圍的情況下，亦可采用其他能量信號。
在1402中，提供了一種晶片。該晶片包括具有待分析的元素的樣品薄 膜。例如，該晶片為半導體基片，該半導體基片具有形成于其上的薄膜SiON 和待分析的氮元素。在1404中，該晶片被置于分析系統(tǒng)中，例如前述的XPS。 在1406中，獲取SiON薄膜中的氮元素的兩種能量信號。在1408中，對所 述能量信號進行處理。這些能量信號被處理以移除所有的背景噪音或其他不 屬于所述信號的信息，該信號來自從樣品薄膜激發(fā)出的能量。在1410中， 對所述元素的信號強度比率進行計算。氮元素在Nls區(qū)域的信號強度被表示 為"I(Nls)"，且氮元素在NKLL區(qū)域的信號強度被表示為"I(NKLL)"。上 述信號強度的比率被表示為"R(樣品)"。該比率R(樣品)可以表示為
R(樣品)=1(Nls)/I(NKLL) ( 1 )
至少基于下述原因，在Nls核素和NKLL核素的能量信號的比率對質 心的確定是有用的。當兩種不同的能量信號穿過SiON薄膜時，它們的衰減 不同。例如，來自Nls核素的能量信號的衰減比來自NKLL核素的能量信號 的衰減要小得多。導致這種情況的一個原因在于，在特定的深度，Nls核素 以比NKLL核素更高的動能被發(fā)射出，且因此，Nls核素的信號的衰減比具 有較低發(fā)射能量的NKLL核素的能量的衰減要小。來自Nls和NKLL區(qū)域 的能量信號的比率隨著氮元素的深度變化而變化。因此，這些信號強度的比 率與質心位置的相關關系可表示為
1(Nls)/I(NKLL) e-"，"/e-fc/^鹿」 (2)
其中"tc"表示所述元素的質心值，且"X"表示在特定區(qū)域中的該元素 的衰減長度。因此，^Nls)表示來自Nls核素的氮元素的衰減長度，且 i(NKLL) 表示來自NKLL核素的氮元素的衰減長度。所述衰減長度值為已知或可確 定。因此，所述比率允許提取樣品薄膜中所述元素的質心?？深A期的是，也 可使用元素在其它區(qū)域上的能量信號。在一種實施方式中，為了確定SiON
薄膜中氮元素的質心，提供了校準函數(shù)。在1412中，提供了一組在SiON薄 膜中的氮元素的不同的已知質心值的強度比率。獲取具有不同質心的沉積的 氮元素的信號強度的比率。這些信號強度的比率根據(jù)所述薄膜中該元素的深 度分布的質心而變化，如圖13所示。在1414中，該元素的信號強度比率與 氮元素在不同深度的一組強度比率相比較，以確定樣品薄膜中的氮元素的質 心。
在1416中，進行摻雜物校正(d叩ant correction)和/或樣品薄膜中氮元 素的確定。在采用XPS或俄歇能譜的實施方式中，通常僅對樣品薄膜表面 的10nm進行測量。樣品薄膜中所述元素的分布的平均深度可在所報告的原 子濃度或薄膜成分劑量中引入一些解釋誤差。若薄膜摻雜物(元素沉積)的 平均深度位于該薄膜的表面，則無須考慮測量到的信號的衰減。另一方面， 若相同數(shù)目原子的元素的平均深度(質心)為例如3nm，且電子衰減長度X
為3nm，則僅小部分發(fā)射出的電子信號(e—將會被檢測到。為了提高 所報告的劑量或原子濃度結果的正確度，感興趣的元素的測量到的信號強度
將必須以因子1//—"/^來進行校正。
為了校正標準XPS劑量的測定，假定感興趣的元素具有均一的深度分
_^_
布，使用校正因子<formula>formula see original document page 43</formula>。在該校正因子中，丁=薄膜厚度，
ME(Si2p))Si02=Si02中Si2p核素的衰減長度，以及X(E(Nls))Si02=Si02中Nls
核素的衰減長度。
圖13顯示了示例的校準圖1500。 x軸代表質心值，且y軸代表信號強 度的比率值。該比率值依照相關聯(lián)的質心值進行繪圖。該強度比率的質心值可通過使用上述等式(2)來確定。還可獲取校準函數(shù)，例如，線性回歸函
數(shù)。例如，用于圖1500的校準函數(shù)可表示為y:mx+b;其中"m"為譜線的 斜率，且"b"為y截距。對于特定的樣品薄膜， 一旦其強度比率如上文所 述被確定，其質心值也可從線性等式中獲取，即質心-x氣y-b)/m。
本發(fā)明的另一種實施方式涉及一種隔離信號的方法，該信號由從不同核 素(背景能譜)發(fā)射出的信號中的第一核素(信號能譜)發(fā)射，該不同核素 的初始發(fā)射動能大于第一核素的動能。由不同核素發(fā)射出的光電子將通過非 彈性散射而損失能量，并將在與來自第一核素的光電子相同的能量范圍內被 檢測。被檢測到的能譜為背景能譜和信號能譜的總和。
一種從測量到的能譜中去除背景能譜的方法為獲取背景能譜的獨立的 測量結果，即通過收集樣品(背景樣品)上的光電子能譜，該樣品(背景樣 品)具有相同的感興趣的樣品的主體/表面性質，所述感興趣的樣品不包含待 分析的元素。
通常準備這樣的背景樣品是很困難的。本發(fā)明的一種實施方式涉及一種 利用電子轉移理論的主要原理來重建所述背景能譜的方法。組成主體物的絕 大部分背景元素具有已知的(或均一的)深度分布，因此，若給定每種核素 在高發(fā)射動能下的固有能譜，則全背景能譜可被重建、標準化并被去除以隔 離由具有未知的深度分布的核素發(fā)射出的光電子的能譜。
例如，參照圖14，薄膜可包括鉿(Hf)、硅(Si)和氮(N)。在一種情 況下，氮元素為感興趣的元素。在一個實施例中，對于該薄膜的所有能譜， 位于約1250KE (動能)處的一個峰為來自鉿的Hf4f的峰，在約1050KE處 的另一個峰為來自硅的Si2p的峰，在約850KE處的另一個峰為來自硅的Si2s 的峰，且在約800KE處的峰為來自氮的Nls的峰。如此處所示，來自鉿的 Hf4f以及來自硅的S^和S^的譜線(或能譜)構成了對于氮元素Nls的譜 線(能譜)的背景。因此，為了僅僅對來自Nls區(qū)域的信號進行分析或隔離，
44能譜尤其是Hf4f、 Si2p和SL需要被移除。在沒有適當?shù)膮⒖急∧さ那闆r下， 背景能譜線可通過使用一種或多種本發(fā)明示例的方法來進行模擬。
圖15顯示了示例的方法2200，該方法說明了一種分析例如與圖14所示
的薄膜類似的薄膜中的一種或多種元素的方法。薄膜中的一種或多種元素可
以是薄膜中的另一種元素的背景材料。在方法2200中，首先獲取一種元素 的能譜，然后將該能譜作為另一種元素的背景能譜。在一種實施方式中，首 先對顯示出最高動能(KE)的核素進行分析，且該核素被用作與其他所有 較低發(fā)射動能核素相關聯(lián)的能譜的背景。在圖14所示的實施例中，首先將 對Hf4f能譜進行分析和重建。作為最高發(fā)射動能核素，其背景僅是可以以線
性擬合來近似的剩余的放射線。僅僅含有Hf4f能譜區(qū)域的能譜分區(qū)被選擇并
被用于確定Hf4f的深度分布，如在前文Nls實施例中所述。若Hf4f能譜深度 分布已知，如Hf4f能譜是主體均一材料的一部分的情況下，則可跳過確定
Hf4f能譜深度分布的步驟。若給定Hf4f深度分布，則可在所收集的測量到的
能譜的全能量范圍內并在去除恰當?shù)臉藴驶?，產(chǎn)生模擬能譜?，F(xiàn)在，所 述經(jīng)去除的能譜將為剩余核素的能譜的重疊，在該實施例中，剩余核素為 Nls、 Si2p和S^。對下一個最高發(fā)射動能核素可重復同樣的過程。
可替換地，每個核素的深度分布可通過最優(yōu)化方法被同時確定，所述最 優(yōu)化方法類似于在Nls實施例中所說明的方法，即通過將全測量的能譜和模 擬能譜之間的差異最小化，該模擬能譜由每種核素的模擬能譜重疊而成。由 于從最高發(fā)射動能核素開始對全能譜進行了分析，因此，無需從處于較高發(fā) 射動能的核素中去除背景能譜。
為了實現(xiàn)全能譜分析，需要確定被分析的能譜中所存在的每種核素的固 有能譜。為達此目的，需要一組所有核素的深度分布均已知的參考晶片。例 如，無覆蓋的Si晶片可用于提取Si金屬固有能譜，而純Hf02晶片則可用于 確定Hf4f、 Hf4d、 Hf4p固有能譜以及02s、 Ols等等。參照圖16，對于每種參考晶片，在701中，僅僅包含最高發(fā)射動能譜線的能譜的能量區(qū)域被選擇。在703中，在所述能量范圍內對該核素的固有能譜進行計算，并在較低 能量處將該固有能譜線性外推至零。在705中，利用在703中找到的固有能 譜和所述元素的已知的深度分布來生成全能量范圍能譜。在707中，將經(jīng)重 建的能譜從所測量到的能譜中去除以獲取下一種核素的去除背景的能譜。對 下一個最高動能核素的背景去除能譜重復地操作相同的程序。用于以圖16中所描述的實施方式來分析參考晶片的固有能譜可用于確 定如前所述的樣品薄膜中的一種或多種元素的未知的深度分布。在回歸中實 時產(chǎn)生一個或多個模擬能譜的過程可能是耗費時間的。為了克服這一缺點， 我們可以對每一能譜的PI系數(shù)進行預先計算，并利用該PI系數(shù)來重建所述 能譜。在一種實施方式中，提供了一種實時模擬具有已知分布輪廓的經(jīng)模擬的 能譜的方法。對給定核素的深度分布的PI系數(shù)特征和散射過程(彈性以及 非彈性)進行預先計算，例如，通過利用Monte Carlo或其他合適的方法。 針對稀疏集的深度分布來預先計算所述PI系數(shù)，并將該PI系數(shù)存儲于PI 系數(shù)數(shù)據(jù)庫中?？稍跀?shù)據(jù)庫中組織一組作為定義相關深度分布的參數(shù)的函數(shù) 的PI系數(shù)。在與任意深度分布相關聯(lián)的能譜的實時模擬過程中，可通過將 預先計算的PI插入描述該深度分布的參數(shù)空間內而得到恰當?shù)腜I。這些被 插入的PI系數(shù)隨后被用于重建作為模擬能譜(例如，背景能譜或關于感興 趣的元素的信號能譜)的能譜，或用于重建從經(jīng)處理的能譜中去除的散射影 響(如前所述)以獲取固有能譜。若與稀疏集的深度分布相關聯(lián)的全能譜被 存儲，則可完成同類型的插值方案，但這需要該數(shù)據(jù)庫具有更大的存儲空間。本發(fā)明的實施方式對于一些氧化層的特征化尤其有利。例如，這種氧化 層可以包括二氧化硅層、氧氮化物層、氮化的氧化物層、氧氮化硅(ONO) 薄膜等等。例如，這種氧化層可以形成為厚度約小于10納米、甚至小于2納米的薄膜，并可作為諸如場效應晶體管(FET)的半導體設備制造中的柵 氧化層。這些晶體管用于包括處理設備、存儲設備等在內的各種集成電路設 備中。并且，本發(fā)明有利于以精確的定量結果和化學成分信息來測量薄型的植入?yún)^(qū)域的形狀和劑量。例如，在半導體設備的形成中，可以以BF2植入硅基片。本發(fā)明可用于以植入硅基片樣品的深度輪廓來對這樣形成的被植入的 薄層或區(qū)域進行特征化描述。此外，本發(fā)明的實施方式可用于預測如前所述的在樣品薄膜內或樣品薄膜上形成的設備的電性能或參數(shù)。圖17顯示了利用分布輪廓、厚度和/或樣 品薄膜5004中元素的質心值來預測電氣產(chǎn)品性能的示例的過程5000。樣品 薄膜5004可形成在諸如晶片的基片樣品5002上。樣品薄膜5004中元素的 分布輪廓、厚度以及質心值均可通過前文所述的方法得以確定。在一種實施 方式中，樣品薄膜5004被置于輪廓系統(tǒng)5006中，用以如前文所述地確定該 樣品薄膜5004的分布輪廓、厚度以及質心值。從該輪廓系統(tǒng)5006中所獲取 的數(shù)值隨后被傳送至預測產(chǎn)品性能分析系統(tǒng)5008。在此處，元素的分布輪廓、 元素的質心值以及薄膜厚度被用以對形成在該樣品薄膜內或該樣品薄膜上 的設備的電參數(shù)進行預測。例如，設備的驅動電流和閾值電壓可通過利用所 述元素的質心值來進行預測以得到"預測的電參數(shù)"。該預測的電參數(shù)隨后 可被反饋入制造過程控制器5010，從而可相應地或根據(jù)期望的產(chǎn)品性能對處 理參數(shù)進行控制、監(jiān)視和/或修改。例如，可通過利用質心/厚度值對形成該 樣品薄膜的溫度、壓力、時間、厚度、劑量等等因素進行監(jiān)視和/或修改以獲 取期望的結果。此外，諸如質心/厚度的無量綱數(shù)值可用于與特定電參數(shù)相關 聯(lián)。從而，可利用來自所述輪廓系統(tǒng)的結果來對薄膜的電參數(shù)進行預測、監(jiān) 視、控制或修改。制造過程控制器5010可利用該信息來控制系統(tǒng)中的其它 過程(框5012)，諸如控制用于設備制造的沉積、植入或蝕刻過程。圖18顯示了利用預測的電氣產(chǎn)品性能的示例的過程5001，該預測的電氣產(chǎn)品性能利用了樣品薄膜5004中元素的分布輪廓、厚度和/或質心值。如前所述，樣品薄膜5004可形成在諸如晶片的基片樣品5002上。樣品薄膜5004 中元素的分布輪廓、厚度以及質心值可如前文所述地被確定。在一種實施方 式中，具有X射線源5006的光電子系統(tǒng)，如XPS系統(tǒng)，被用于從樣品薄膜 5004中激發(fā)出一個或多個光電子以用于分析，如前文所述。分析器5008用 于如前文所述地分析樣品薄膜5004。隨后，所得數(shù)據(jù)被輸入到輪廓系統(tǒng)6000 用以進行如前文所述的確定分布輪廓、厚度以及質心值的分析。在輪廓系統(tǒng)6000中，如前文所述，進行諸如強度比率確定、分布輪廓 和質心值確定的分析。在一種實施方式中，獲取元素的信號強度且產(chǎn)生強度 比率。該比率與校準函數(shù)相關聯(lián)以用于確定該元素的質心值，如前文所述。 在另一種實施方式中，獲取元素的測量到的能譜。利用前文所述的任何一種 方法來執(zhí)行背景去除以獲取經(jīng)處理的能譜。然后利用前文所述的方法進行最 小化和最優(yōu)化操作(利用恰當?shù)膮?shù)來模擬能譜)以確定該元素的分布輪廓。 也可獲取質心值。從輪廓系統(tǒng)6000獲取的數(shù)值隨后被傳送至預測產(chǎn)品關聯(lián)系統(tǒng)7000。在 此處，將這些數(shù)值與諸如溫度、時間、壓力、厚度以及電參數(shù)等參數(shù)相關聯(lián)。 該元素的分布輪廓、該元素的質心以及薄膜厚度隨后都可用于預測形成在該 樣品薄膜內或該樣品薄膜上的設備的電參數(shù)，如前文所述。例如，設備的驅 動電流和閾值電壓可通過利用該元素的質心值來進行預測以得到預測的電 參數(shù)。該預測的電參數(shù)隨后可被反饋入制造過程控制器8000，從而可相應地 或根據(jù)期望的產(chǎn)品性能對處理參數(shù)進行控制、監(jiān)視和/或修改。例如，可通過 利用質心/厚度值來對形成該樣品薄膜的溫度、壓力、時間、厚度、劑量等等 因素進行監(jiān)視和/或修改以獲取期望的結果。此外，諸如質心/厚度的無量綱 數(shù)值可用于與特定電參數(shù)相關聯(lián)。從而，可利用來自所述輪廓系統(tǒng)的結果來 對薄膜的電參數(shù)進行預測、監(jiān)視、控制或修改。制造過程控制器8000可利用該信息來控制系統(tǒng)中的其它過程(框9000)，諸如控制用于設備制造的沉 積、植入或蝕刻過程。本領域技術人員從上述說明書中將會認識到，所述樣品可以是眾多不同 形式中的一種。例如，該樣品可以是形成于基片上的層或形成于基片內的區(qū) 域，也可以是由受益于根據(jù)本發(fā)明的特征化描述的材料所構成的其他任何樣 品。同樣地，本發(fā)明不受本文中所列出的任何特定材料或結構的限制。然而， 在對一些薄膜，例如柵氧化層的柵極介電層進行特征化描述過程中，本發(fā)明 的確具有獨特的優(yōu)點。盡管本發(fā)明以若干實施方式進行描述，但本領域普通技術人員會認識到 本發(fā)明不限于所述的實施方式。在所附權利要求的精神和范圍內，本發(fā)明的 方法和設備可以通過修改和改造而得以實施。因此，本說明書被視為說明目 的而非限制。示例的實施方式已經(jīng)公開，在所附權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍 之內，可對所公開的實施方式進行修改和變化。
權利要求
1. 一種方法，該方法包括獲取與從樣品薄膜中的一種或多種元素中激發(fā)出的電子能量相關聯(lián)的第一能譜；獲取經(jīng)處理的能譜，所述經(jīng)處理的能譜具有移除了背景能譜的所述第一能譜；最優(yōu)化作為所述一種或多種元素的元素分布輪廓的函數(shù)的模擬能譜；利用最小化算法將所述經(jīng)處理的能譜與所述模擬能譜相匹配；以及基于所述匹配和所述最小化來確定所述樣品薄膜中的所述一種或多種元素的分布輪廓。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，該方法進一步包括下列各項中的至少 一項確定所述樣品薄膜中的所述一種或多種元素的質心值； 確定所述樣品薄膜中的所述一種或多種元素的劑量水平； 校正所述樣品薄膜中的所述一種或多種元素的元素劑量水平； 預測形成在所述樣品薄膜內或形成在所述樣品薄膜上的設備的電參數(shù)；以及控制形成在所述樣品薄膜內或形成在所述樣品薄膜上的設備的電參數(shù)。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，該方法進一步包括 確定所述樣品薄膜中的所述一種或多種元素的質心值； 確定所述樣品薄膜的厚度；獲取所述樣品薄膜的所述質心值與所述厚度的比率；以及 對形成在所述樣品薄膜內或形成在所述樣品薄膜上的一個或多個設備 的一個或多個電參數(shù)執(zhí)行監(jiān)視、預測以及控制中的一者。
4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中從所述第一能譜中移除的背景能譜為經(jīng)重建的背景能譜。
5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述經(jīng)重建的背景能譜是從測量到的能譜中提取的，該測量到的能譜包含多個元素和與所述元素相關聯(lián)的相應的多個核素的重疊。
6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中獲取所述經(jīng)處理的能譜進一步包括從能與所述樣品薄膜比較的且不具有沉積于其上的所述元素的薄膜中獲取一組背景值能譜，每個所述背景能譜具有與圍繞所述薄膜的所選擇的參數(shù)相關聯(lián)的數(shù)值；產(chǎn)生包括所述背景能譜的背景表，該背景能譜為所述所選擇的參數(shù)的函數(shù)；以及基于圍繞所述樣品薄膜所選擇的參數(shù)來對用于所述樣品薄膜的背景值進行選擇，該選擇包括下列各項中的一項(a)選擇選自所述背景能譜組的背景能譜，該背景能譜具有與所述樣品薄膜相匹配的所選擇的參數(shù)，以及(b)利用所述背景表和所述所選擇的參數(shù)對背景能譜進行插值。
7. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述第一能譜是利用光電子能譜系統(tǒng)以恒定發(fā)射角來獲取的。
8. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述第一能譜是利用光電子能譜系統(tǒng)以選自0至45度范圍的恒定發(fā)射角來獲取的。
9. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述第一能譜是利用光電子能譜系統(tǒng)來獲取的，并且其中所述第一能譜選自以多個發(fā)射角同時進行的多個測量，其中每個測量均以恒定的發(fā)射角進行。
10. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中最優(yōu)化作為元素分布輪廓的函數(shù)的所述模擬能譜并將所述經(jīng)處理的能譜與所述模擬能譜相匹配進一步包括定義一個或多個用于產(chǎn)生所述模擬能譜的參數(shù)。
11. 根據(jù)權利要求io所述的方法，其中所述一個或多個參數(shù)是基于信噪分析來進行選擇的。
12. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中最優(yōu)化作為元素分布輪廓的函數(shù)的所述模擬能譜并將所述經(jīng)處理的能譜與所述模擬能譜相匹配進一步包括將預先計算的所述模擬能譜的品質因數(shù)最小化，并通過從品質因數(shù)表面進行的插值來確定品質因數(shù)的最小值。
13. —種方法，該方法包括收集一組參考薄膜的一組參考背景強度能譜，該參考背景強度能譜為圍繞所述參考薄膜的所選擇的參數(shù)的函數(shù)，每個所述參考薄膜包括樣品薄膜的主體材料；從所述樣品薄膜測量到的強度能譜中移除背景強度能譜以產(chǎn)生經(jīng)處理的能譜，其中所述樣品薄膜具有沉積于該樣品薄膜中的感興趣的元素，其中所述被移除的背景強度能譜為下列各項中的一項(a)為具有與所述樣品薄膜相匹配的所述所選擇的參數(shù)的所述參考背景強度能譜收集的參考背景強度能譜，以及(b)來自所述一組參考背景強度能譜的經(jīng)插值的背景強度能譜。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述所選擇的參數(shù)包括薄膜厚度，并且其中所述一組參考背景強度能譜是被作為薄膜厚度的函數(shù)而收集的，并且其中所述被移除的背景強度能譜為下列各項中的一項(a)為具有與所述樣品薄膜的薄膜厚度相匹配的薄膜厚度的所述參考背景強度能譜收集的參考背景強度能譜，以及(b)來自利用所述樣品薄膜的薄膜厚度的所述一組參考背景強度能譜的經(jīng)插值的背景強度能譜。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，該方法進一步包括最優(yōu)化作為所述樣品薄膜中的所述元素的模擬輪廓分布的函數(shù)的模擬強度能譜；利用最小化算法將所述經(jīng)處理的能譜與所述模擬強度能譜相匹配；以及基于所述最優(yōu)化和匹配來確定所述樣品薄膜中的所述元素的分布輪廓。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中所述方法是自動化的。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中所述匹配包括自動地最優(yōu)化作為模擬分布輪廓的函數(shù)的所述模擬強度能譜，以及將所述經(jīng)處理的能譜與所述模擬強度能譜相匹配，并且重復所述最優(yōu)化和所述匹配直到獲取匹配或近似匹配。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，該方法進一步包括確定所述樣品薄膜中的所述元素的質心值；確定所述樣品薄膜中的所述元素的劑量水平；校正所述樣品薄膜中的所述元素的元素劑量水平；預測形成在所述樣品薄膜內或形成在所述樣品薄膜上的設備的電參數(shù);以及控制形成在所述樣品薄膜內或形成在所述樣品薄膜上的設備的電參數(shù)。
19. 根據(jù)權利要求16所述的方法，該方法進一步包括-確定所述樣品薄膜中的所述元素的質心值；確定所述樣品薄膜的厚度；獲取所述樣品薄膜的所述質心值和所述厚度的比率；以及對形成在所述樣品薄膜內或形成在所述樣品薄膜上的一個或多個設備的一個或多個電參數(shù)執(zhí)行監(jiān)視、預測以及控制中的一者。
20. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述一組參考背景強度能譜是利用光電子能譜系統(tǒng)以恒定發(fā)射角對所述一組參考薄膜進行測量來收集的，且其中所述測量到的強度能譜是利用所述光電子能譜系統(tǒng)以所述恒定發(fā)射角對所述樣品薄膜進行測量來收集的。
21. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中最優(yōu)化作為元素分布輪廓的函數(shù)的所述模擬能譜且將所述經(jīng)處理的能譜與所述模擬能譜相匹配進一步包括定義用于產(chǎn)生所述模擬能譜的一個或多個參數(shù)。
22. 根據(jù)權利要求21所述的方法，其中所述一個或多個參數(shù)是基于信噪分析而被選擇的。
23. 根據(jù)權利要求22所述的方法，其中最優(yōu)化作為元素分布輪廓的函數(shù)的所述模擬能譜且將所述經(jīng)處理的能譜與所述模擬能譜相匹配進一步包括將預先計算的所述模擬能譜的品質因數(shù)最小化，并通過從品質因數(shù)表面進行的插值來確定品質因數(shù)的最小值。
24. —種方法，該方法包括激發(fā)沉積于樣品薄膜中的元素的至少兩種電子能量；獲取所述電子能量的強度比率值，該強度比率值包括與所述電子能量相關聯(lián)的第一強度值和第二強度值，所述第一強度值和所述第二強度值代表所述元素的第一電子能量值和第二電子能量值；將所述強度比率值與關聯(lián)函數(shù)相關聯(lián)，該關聯(lián)函數(shù)與作為參考薄膜中的所述元素的質心的函數(shù)的一組強度比率值相關聯(lián)，所述參考薄膜能與所述樣品薄膜相比較；以及基于所述關聯(lián)來確定所述樣品薄膜中的所述元素的質心。
25. 根據(jù)權利要求24所述的方法，其中該方法進一步包括通過從沉積于每個所述參考薄膜中的所述元素中激發(fā)所述兩種電子能量來獲取所述元素的一組強度比率值，該參考薄膜具有己知的質心值；以及產(chǎn)生作為質心的函數(shù)的所述元素的強度比率值。
26. 根據(jù)權利要求25所述的方法，該方法進一步包括確定所述樣品薄膜中的所述元素的質心值。
27. 根據(jù)權利要求26所述的方法，該方法進一步包括下列各項中的至少一項確定所述樣品薄膜中的所述元素的劑量水平；校正所述樣品薄膜中的所述元素的劑量水平；預測形成在所述樣品薄膜內或所述樣品薄膜上的設備的電參數(shù)；以及利用所述樣品薄膜中的所述元素的質心值來控制形成在所述樣品薄膜內或所述樣品薄膜上的設備的電參數(shù)。
28. —種方法，該方法包括利用光電子能譜系統(tǒng)以及利用恒定發(fā)射角來獲取樣品薄膜中的元素的強度能譜；利用所述強度能譜來確定所述樣品薄膜中的所述元素的質心值，其中所述方法對所述樣品薄膜是非破壞性的；將所述質心值與所述樣品薄膜的一個或多個電參數(shù)相關聯(lián)；以及執(zhí)行下列各項中的至少一項監(jiān)視所述樣品薄膜的一個或多個制造過程、控制所述樣品薄膜的一個或多個電參數(shù)、設計所述樣品薄膜的一個或多個制造過程、預測所述樣品薄膜的一個或多個制造過程、以及基于所述經(jīng)確定的質心值來確定和校正所述元素的劑量。
29. —種方法，該方法包括獲取薄膜的測量到的能譜，該薄膜具有由多個核素發(fā)射出的信號，每個核素均具有發(fā)射動能，所述測量到的能譜覆蓋多個分區(qū)；獲取第一核素的固有函數(shù)，該第一核素在第一預定分區(qū)中具有最高的發(fā)射動能；以及重建具有最高發(fā)射動能的所述第一核素的完整的第一能譜，該完整的第一能譜覆蓋所述測量到的能譜的所有分區(qū)，并且重建是通過利用所述固有函數(shù)和外推方法來完成的。
30. 根據(jù)權利要求29所述的方法，該方法進一步包括利用所述完整的第一能譜作為具有第二最高發(fā)射動能的第二核素的背景能譜。
31. 根據(jù)權利要求29所述的方法，該方法進一步包括從所述測量到的能譜中去除所述背景能譜；以及獲取所述第二核素在第二預定分區(qū)上的第二固有函數(shù)；以及重建具有所述第二最高發(fā)射動能的所述第二核素的完整的第二能譜，該完整的第二能譜覆蓋所述測量到的能譜的所有分區(qū)，并且重建是通過利用所述第二固有函數(shù)和所述外推方法來完成的。
32. 根據(jù)權利要求31所述的方法，該方法進一步包括最優(yōu)化作為第一元素的模擬輪廓分布的函數(shù)的模擬強度能譜，該第一元素與所述薄膜中的所述第一核素相關聯(lián)；利用最小化算法將所述完整的第一能譜與所述模擬強度能譜相匹配；以及基于所述最優(yōu)化和匹配來確定所述薄膜中的所述第一元素的分布輪廓。
33. 根據(jù)權利要求32所述的方法，該方法進一步包括確定所述薄膜中的所述第一元素的質心值；確定所述薄膜中的所述第一元素的劑量水平；校正所述薄膜中的所述第一元素的元素劑量水平；預測形成在所述樣品薄膜內或所述樣品薄膜上的設備的電參數(shù)；以及控制形成在所述薄膜內或所述薄膜上的設備的電參數(shù)。
34. 根據(jù)權利要求31所述的方法，該方法進一步包括最優(yōu)化作為第二元素的模擬輪廓分布的函數(shù)的模擬強度能譜，該第二元素與所述薄膜中的所述第二核素相關聯(lián)；利用最小化算法將所述完整的第二能譜與所述模擬強度能譜相匹配；以及基于所述最優(yōu)化和匹配來確定所述薄膜中的所述第二元素的分布輪廓。
35. 根據(jù)權利要求34所述的方法，該方法進一步包括確定所述薄膜中的所述第二元素的質心值； 確定所述薄膜中的所述第二元素的劑量水平； 校正所述薄膜中的所述第二元素的元素劑量水平；以及 控制形成在所述薄膜內或形成在所述薄膜上的設備的電參數(shù)。
36. 根據(jù)權利要求29所述的方法，其中所述測量到的能譜是利用光電 子能譜系統(tǒng)以恒定發(fā)射角對所述薄膜進行測量而收集的。
37. —種方法，該方法包括計算一組能譜的一組統(tǒng)計系數(shù)特征，所述一組統(tǒng)計系數(shù)作為定義參考薄 膜的所選擇的參數(shù)的函數(shù)而被組織于數(shù)據(jù)庫中；利用所述數(shù)據(jù)庫和所述樣品薄膜的已知的參數(shù)來模擬樣品薄膜的背景 能譜；以及從所述樣品薄膜的測量到的能譜中去除所述背景能譜以產(chǎn)生所述樣品 薄膜的經(jīng)處理的能譜。
38.根據(jù)權利要求37所述的方法，該方法進一步包括 最優(yōu)化作為所述樣品薄膜中的元素的模擬輪廓分布的函數(shù)的模擬強度 能譜；利用最小化算法將所述經(jīng)處理的能譜與所述模擬強度能譜相匹配；以及 基于所述最優(yōu)化和匹配來確定所述薄膜中的所述元素的分布輪廓。
39. 根據(jù)權利要求38所述的方法，該方法進一步包括 確定所述樣品薄膜中的所述元素的質心值； 確定所述樣品薄膜中的所述元素的劑量水平； 校正所述樣品薄膜中的所述元素的元素劑量水平；以及 控制形成在所述樣品薄膜內或所述樣品薄膜上的設備的電參數(shù)。
40. 根據(jù)權利要求37所述的方法，其中模擬所述樣品薄膜的所述背景 能譜進一步包括確定所述樣品薄膜的所述已知的參數(shù)是否與從所述能譜中計算出的所 述統(tǒng)計系數(shù)的所選擇的參數(shù)中的一個相匹配；當所述已知的參數(shù)與所述所選擇的參數(shù)中的一個相匹配時選擇一個或 多個合適的與所述已知的參數(shù)相關聯(lián)的統(tǒng)計系數(shù)，或者從所選擇的參數(shù)進行 插值以計算所述已知的參數(shù)的一個或多個合適的統(tǒng)計系數(shù)；以及利用所述合適的統(tǒng)計系數(shù)來模擬所述背景能譜。
41. 一種方法，該方法包括利用一組第一部分強度系數(shù)來模擬薄膜的背景能譜，該第一部分強度系 數(shù)針對期望存在于該薄膜中的至少一種主體元素而獲取，所述薄膜進一步包 含感興趣的元素；以及其中所述第一部分強度系數(shù)是從至少一個具有所述至少一種主體元素 的參考薄膜中計算出的，并且其中所述至少一個參考薄膜的能譜被用于所述 第一部分強度系數(shù)的計算。
42. 根據(jù)權利要求41所的方法，該方法進一步包括 收集已知參數(shù)組的一組能譜；以及利用蒙特卡羅模擬法來計算所述一組能譜的第二部分強度系數(shù)； 其中所述參數(shù)組包括足夠的取樣點以允許從所述第二部分強度系數(shù)中 進行插值。
43. 根據(jù)權利要求42所述的方法，該方法進一步包括 利用所述第二部分強度系數(shù)對所述薄膜的所述第一部分強度系數(shù)進行插值；以及從經(jīng)插值的第一部分強度系數(shù)中重建譜線以模擬所述背景能譜。
44. 根據(jù)權利要求43所述的方法，該方法進一步包括 從為所述薄膜獲取的薄膜能譜中移除所述背景能譜以獲取經(jīng)處理的能譜。
45. 根據(jù)權利要求44所述的方法，其中所述參數(shù)組至少包括薄膜厚度。
46. 根據(jù)權利要求45所述的方法，該方法進一步包括 在所述經(jīng)處理的能譜和所述至少一個模擬能譜上執(zhí)行最小化和最優(yōu)化操作以用于所述匹配。
47. 根據(jù)權利要求46所述的方法，該方法進一步包括 確定所述薄膜中的所述感興趣的元素的分布輪廓、質心值以及劑量中的至少一者。
48. —種存儲能譜數(shù)據(jù)的方法，該方法包括 收集具有至少一種元素的薄膜的至少一個能譜；計算所述至少一個能譜的一個或多個部分強度系數(shù)；以及存儲所述一個或多個部分強度系數(shù)。
49. 根據(jù)權利要求48所述的方法，其中利用X射線光電子能譜系統(tǒng)來 收集所述至少一個能譜。
50. 根據(jù)權利要求48所述的方法，其中利用蒙特卡羅模擬法來完成所 述計算。
51. 根據(jù)權利要求48所述的方法，其中具有指令的可執(zhí)行程序被提供 以利用計算出的部分強度系數(shù)來重建所述至少一個能譜。
52. —種方法，該方法包括以多個收集角度收集薄膜的電子能譜以產(chǎn)生收集的能譜；利用反巻積技術從收集的能譜中消除表面散射的影響以去除由界面交 叉引起的一個或多個系統(tǒng)誤差；通過模擬導致彈性散射的一組模擬能譜來在所述收集的能譜上執(zhí)行最 小化操作，并且以所述收集的能譜來最小化所述一組模擬能譜；以及確定所述薄膜中元素的分布輪廓。
53. 根據(jù)權利要求52所述的方法，其中所述一組模擬能譜是作為所述 薄膜中的所述元素的分布輪廓的函數(shù)而產(chǎn)生的。
54. 根據(jù)權利要求53所述的方法，該方法進一步包括下列各項中的至 少一項確定所述薄膜中的所述元素的質心值； 確定所述薄膜中的所述元素的劑量水平；校正所述薄膜中的所述元素的劑量水平；預測形成在所述薄膜內或形成在所述薄膜上的設備的電參數(shù)；以及 控制形成在所述薄膜內或形成在所述薄膜上的設備的電參數(shù)。
55. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述模擬能譜來自一組具有相關 聯(lián)的元素分布輪廓的模擬能譜，且其中最優(yōu)化作為元素分布輪廓的函數(shù)的所 述模擬能譜并且將所述經(jīng)處理的能譜與所述模擬能譜相匹配進一步包括將 所述樣品薄膜中的所述一種或多種元素的分布輪廓與參數(shù)化的曲線族相關 聯(lián)，該曲線族用于產(chǎn)生所述模擬能譜。
56. —種方法，該方法包括獲取與電子能量相關聯(lián)的第一能譜，該電子能量被從樣品薄膜的一種或 多種元素中激發(fā)；通過至少對所述第一能譜進行預處理以消除變角表面散射的影響，從而 獲取經(jīng)處理的能譜；以及將所述經(jīng)處理的能譜與作為元素分布輪廓的函數(shù)的模擬能譜相匹配。
57. 根據(jù)權利要求56所述的方法，其中X射線光電子能譜或角分辨X 射線光電子能譜被用于獲取所述第一能譜。
58. 根據(jù)權利要求56所述的方法，該方法進一步包括下列各項中的至 少一項基于所述匹配和最小化來確定所述樣品薄膜中的所述一種或多種元素 的分布輪廓；確定所述樣品薄膜中的所述一種或多種元素的質心值；確定所述樣品薄膜中的所述一種或多種元素的劑量水平；校正所述樣品薄膜中的所述一種或多種元素的元素劑量水平；預測形成在所述樣品薄膜內或形成在所述樣品薄膜上的設備的電參數(shù)-，以及控制形成在所述樣品薄膜內或形成在所述樣品薄膜上的設備的電參數(shù)。
59. 根據(jù)權利要求58所述的方法，該方法進一步包括 響應于所述質心值、所述分布輪廓、所述劑量水平或所述電參數(shù)來控制至少一個處理參數(shù)。
60. 根據(jù)權利要求59所述的方法，其中所述處理參數(shù)包括處理溫度、 壓力以及時間。
全文摘要
一種確定薄膜中元素的分布輪廓的方法。所述方法包括激發(fā)沉積于第一薄膜中的元素的電子能量以獲取與所述電子能量相關聯(lián)的第一能譜，并從所述第一能譜中去除背景能譜。移除所述背景值產(chǎn)生經(jīng)處理的能譜。所述方法進一步包括通過能與第一薄膜比較的薄膜中的元素的已知模擬分布輪廓來將所述經(jīng)處理的能譜與模擬能譜相匹配?；趯⑺鼋?jīng)處理的能譜與從模擬能譜組中選出的模擬能譜相匹配來獲取所述第一薄膜中的元素的分布輪廓。
文檔編號G01J3/45GK101523171SQ200680033273
公開日2009年9月2日 申請日期2006年6月23日 優(yōu)先權日2005年7月11日
發(fā)明者B·許勒爾, D·S·巴蘭斯, D·里德, M·光, P·德切科 申請人:瑞沃瑞公司