(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の検査のための方法であって、
平坦な試料の領域に励起光線が当たるように該光線を向かわせることを有し、該領域は第１の領域を有し、第１の領域は特徴部を有し、該特徴部は、該試料の表層に第１のパターンとして形成された１つ以上の凹部を有しかつ該試料の平面に垂直な側壁を持ち、該側壁はその上に薄膜を有しており、
平坦な試料の第２の領域に励起光線が当たるように該光線を向かわせることを有し、第２の領域は、第１のパターンとは異なる第２のパターンの凹部を有しており、
励起光線に応じて該試料から放出された蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）の強度を測定することを有し、
第１のおよび第２の領域からそれぞれ放出されたＸＲＦの、第１の強度と第２の強度とを比較することにより、該強度に基づいて、側壁上の薄膜の厚さを評価することを有する、
前記方法。
【請求項２】
薄膜が、側壁に加えて、試料の少なくとも１つの水平な表面に対しても与えられており、かつ、
厚さを評価することが、前記の少なくとも１つの水平な表面上の薄膜の深さを判定することを有し、かつ、該深さと該強度の両方に基づいて、側壁上の薄膜の厚さを計算することを有する、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
深さを判定することが、前記の少なくとも１つの水平な表面からのＸ線の反射率を測定することを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
深さを判定することが、側壁を含まない平坦な試料の基準領域上に薄膜を堆積させることを有し、かつ、該基準領域上の薄膜の深さを測定することを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
側壁が第１の元素を有しており、該元素は、第１のＸＲＦスペクトル線になっているＸＲＦを放出するものであり、かつ、
第２の元素がまた前記平坦な試料の領域に堆積しており、その第２の元素は、第２のおよび第３のＸＲＦスペクトル線を有しており、第３のＸＲＦスペクトル線は、第１のＸＲＦスペクトル線とオーバラップするものであり、かつ、
厚さを評価することが、第２のＸＲＦスペクトル線を有する第２の領域で測定されたＸＲＦの第２の強度に対する、第１のおよび第３のＸＲＦスペクトル線を有する第１のスペクトル領域で測定されたＸＲＦの第１の強度の比を測定することを有し、かつ、測定された比に基づいて厚さを計算することを有する、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
厚さを算出することが、第１の元素が無い場合の第２の元素について判定された基準比に対して、測定された比を比較することを有する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
第１の元素がタンタルであり、第２の元素が銅である、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
試料の検査のための装置であって、
励起光源を有し、該励起光源は、平坦な試料のある領域に励起光線が当たるよう該光線を向わせるように構成されており、該領域は第１の領域を有し、該試料は特徴部を有し、該特徴部は、該試料の表層に第１のパターンとして形成された１つ以上の凹部を有しかつ該試料の平面に垂直な側壁を持ち、該側壁はその上に薄膜を有しており、
該励起光源は、さらに、平坦な試料の第２の領域に該励起光線が当たるよう該光線を向わせるように構成され、第２の領域は、第１のパターンとは異なる第２のパターンの凹部を有するものであり、
１つ以上の検出器を有し、該検出器は、励起光線に応じて試料から放出された蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）の強度を測定するように配置されており、
信号プロセッサを有し、該プロセッサは、第１のおよび第２の領域からそれぞれ放出されたＸＲＦの第１の強度と第２の強度とを比較することにより、該強度に基づいて、側壁上の薄膜の厚さを評価するように作動するものである、
前記装置。
【請求項９】
薄膜が、側壁に加えて、試料の少なくとも１つの水平な表面に対しても与えられており、かつ、
信号プロセッサが、前記の少なくとも１つの水平な表面上の薄膜の深さを判定するように配置され、該深さと該強度の両方に基づいて、側壁上の薄膜の厚さを計算するように配置されている、
請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの検出器が、少なくとも１つの水平な表面からのＸ線の反射率を測定するように配置され、かつ、
信号プロセッサが、測定されたＸ線反射率に応じて薄膜の深さを判定するように適合している、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
薄膜が、側壁を含まない平坦な試料の基準領域上にも堆積しており、かつ、
信号プロセッサが、基準領域から放出されたＸＲＦの強度に基づいて、基準領域上の薄膜の深さを判定するように適合している、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
側壁が、第１の元素を有し、該元素は、第１のＸＲＦスペクトル線になっているＸＲＦを放出するものであり、かつ、第２の元素もまた、該平坦な試料の該領域に堆積しており、第２の元素は、第２のおよび第３のＸＲＦスペクトル線を有し、第３のＸＲＦスペクトル線は、第１のＸＲＦスペクトル線とオーバラップしており、かつ、
信号プロセッサが、第２のＸＲＦスペクトル線を有する第２の領域で測定されたＸＲＦの第２の強度に対する、第１のおよび第３のＸＲＦスペクトル線を有する第１のスペクトル領域で測定されたＸＲＦの第１の強度の比を、評価するように適合しており、かつ、測定された比に基づいて厚さを計算するように適合している、
請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
信号プロセッサが、第１の元素が無い場合の第２の元素について判定された基準比に対して、測定された比を比較することによって、厚さを算出するように設けられている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
第１の元素がタンタルであり、第２の元素が銅である、請求項１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００５年１２月２２日に提出された米国特許仮出願第６０／７５３，８９５号の優先権を主張するものであり、該出願は、参照したことによって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（発明の属する分野）
本発明は、全体としては、非破壊テストに関し、特に、半導体装置の製造において形成される薄膜層をテストするための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）測定、特に、マイクロ蛍光Ｘ線測定（即ち、狭く焦点を絞られた励起光線を用いた蛍光Ｘ線）が、半導体ウエハをテストする方法として一層の注目を集めている。ＸＲＦ自体は、試料の元素組成の判定における周知の技術である。ＸＲＦ分析装置には、概しては、試料を照射するＸ線源と、照射に応じて試料が放出する蛍光Ｘ線を検出するＸ線検出器とが含まれる。試料内の各元素は、元素の特徴であるエネルギーバンドでの蛍光Ｘ線を放出する。検出された蛍光Ｘ線は、検出されたフォトン（光子）のエネルギーまたは等価な波長を求めるために分析され、この分析に基づいて試料の定性的および／または定量的な組成が判定される。
【０００４】
例えば、米国特許第６，１０８，３９８号は、参照したことによってその開示は本明細書に組み込まれるが、ＸＲＦ分析装置(XRF analyzer)と試料を分析するための方法とを説明している。この分析装置は、Ｘ線ビーム発生器を含んでおり、該発生器は、試料上の或るスポットに入射するＸ線ビームを発生させ、複数の蛍光Ｘ線フォトンを作り出す。半導体検出器のアレイが該スポットの周りに配置され、これによって複数の蛍光Ｘ線フォトンが取り込まれる。この分析装置は、試料の分析に好適な電気パルスを発生させる。
【０００５】
半導体ウエハをテストするためのマイクロ蛍光Ｘ線の使用が、米国特許第６，３５１，５１６号（参照したことによりその開示は本明細書に組み込まれる）に記述されている。この特許は、試料の表面上の凹部内の材料の堆積および除去をテストするための非破壊的な方法を説明している。励起光線が試料の凹部近辺の領域に向けられ、該領域から放出される蛍光Ｘ線の強度が測定される。凹部内に堆積した材料の量が、測定された強度に応じて判定される。
【０００６】
マイクロ蛍光Ｘ線の別の応用例が、Lankoszらの論文、タイトルは ”Research in Quantitative X-ray Fluorescence Microanalysis of Patterned Thin Films,”Advances in X-ray Analysis 43 (1999), 497-503頁に説明されており、それは、参照したことにより本明細書に組み込まれる。その著者は、コリメートされたマイクロビームを用いた蛍光Ｘ線の微量分析法を説明している。該方法は、イオンスパッタリング技術によって準備された薄膜の、厚さと均一性とをテストするために適用される。
【０００７】
米国特許第６，５５６，６５２号は、基板の表面をＸ線のビーム（光線）で照射することにより限界寸法を測定する方法を説明しており、その開示は参照したことにより本明細書に組み込まれる。表面上に形成された特徴部(feature)によって、該表面から散乱したＸ線のパターンが、該表面に対して平行方向の特徴部の寸法を測定するために検出され分析される。通常、基板は、半導体ウエハを有し、その上に、ウエハ上に製造中のマイクロ電子デバイスの機能的特徴部(functional features)の限界寸法を測定することを目的としたテストパターンが形成される。１つの実施対応では、該テストパターンは、格子構造を有し、リッジの周期的なパターンで構成され、対象となる機能的特徴の属性と類似の属性（高さ、幅、間隔などのもの）を有する。
【０００８】
米国特許第６，８７９，０５１号は、溝の側壁のシー層の厚さを判定するための方法を説明しており、その開示は参照したことにより本明細書に組み込まれる。この方法は、基板に形成される溝内のバリア層を覆うコンフォーマルなシード層の形成を伴う。Ｘ線のビームがシード層の側壁部へ照射され、側壁部の厚さを判定するために反射したＸ線信号が測定される。
【発明の開示】
【０００９】
（発明の概要）
本発明の実施態様は、Ｘ線技術、特にＸＲＦを用いた、基板上の構造物の寸法を測定するための改良された方法を提供する。いくつかの実施態様では、例えば、これらの技術は半導体ウエハ上に形成された特徴部の臨界的寸法の判定に使用される。追加的に、あるいは代替的に、本発明の実施態様は、基板に堆積した薄膜層の厚さを判定するために適用することができ、特に基板上に形成された構造物の側壁に堆積した層の厚さの測定に適用することができる（この文脈においては、側壁(sidewall)とは、基板の表面の平面に対して垂直の、あるいは少なくとも水平ではない構造物の部分を意味する）。
【００１０】
Ｘ線散乱を用いた側壁測定のさらなる態様が、米国特許第７，１１０，４９１号に説明されている。半導体ウエハ上の層の堆積と層の処理とを評価する際のＸＲＦの使用もまた、米国特許出願第２００６／０２２７９３１号に記述されている。本特許出願の出願人に譲渡されたこれら参考文献の双方の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。これら２つの参考文献、ならびに発明の背景に引用した発行物に説明される技術は、以下に説明する方法およびシステムと併せて有利に適用され得る。
【００１１】
従って、本発明の実施態様による、試料の検査のための方法が提供され、当該方法は、
平坦な試料の領域に励起光線を当てるように向かわせることを含み、該試料はその試料の平面に垂直な側壁を持った特徴部を有しており、該側壁はその上に薄膜を有しており、
励起光線に応じて該試料から放出された蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）の強度を測定することを含み、
該強度に基づいて、側壁上の薄膜の厚さを評価することを含み。
【００１２】
開示する実施態様においては、薄膜が、側壁に加えて、試料の少なくとも１つの水平な表面に対しても与えられており、かつ、厚さを評価することが、前記の少なくとも１つの水平な表面上の薄膜の深さを判定することを含み、かつ、該深さと該強度の両方に基づいて、側壁上の薄膜の厚さを計算することを含む。深さを判定することは、前記の少なくとも１つの水平な表面からのＸ線の反射率を測定することを含んでいてもよい。代替的または追加的には、深さを判定することが、側壁を含まない平坦な試料の基準領域上に薄膜を堆積させることを含み、かつ、該基準領域上の薄膜の深さを測定することを含む。
【００１３】
いくつかの実施態様では、平坦な試料の領域が、その表層に第１のパターンとして形成された１つ以上の凹部を有する第１の領域を含み、かつ、当該方法は、第１のパターンとは異なる第２のパターンの凹部を有する平坦な試料の第２の領域に、励起光線が当たるように該光を向けることを含み、かつ、厚さを評価することが、第１のおよび第２の領域からそれぞれ放出されたＸＲＦの、第１の強度と第２の強度とを比較することを含む。
【００１４】
別の実施態様では、側壁が第１の元素を含んでおり、該元素は、第１のＸＲＦスペクトル線になっているＸＲＦを放出するものであり、かつ、第２の元素がまた前記平坦な試料の領域に堆積しており、その第２の元素は、第２のおよび第３のＸＲＦスペクトル線を有しており、第３のＸＲＦスペクトル線は、第１のＸＲＦスペクトル線とオーバラップするものであり、かつ、厚さを評価することが、第２のＸＲＦスペクトル線を有する第２の領域で測定されたＸＲＦの第２の強度に対する、第１のおよび第３のＸＲＦスペクトル線を有する第１のスペクトル領域で測定されたＸＲＦの第１の強度の比を測定することを含み、かつ、測定された比に基づいて厚さを計算することを含んでいる。一実施態様では、厚さを算出することが、第１の元素が無い場合の第２の元素について判定された基準比に対して、測定された比を比較することを含み、その第１の元素はタンタルであり、第２の元素は銅である。
【００１５】
また、本発明の実施態様による、試料を処理する方法が提供され、当該方法は、
該試料の第１のおよび第２の領域を覆って材料を堆積させることを含み、第１の領域は、その表層に第１のパターンとして形成された１つ以上の凹部を有し、第２の領域は、第１のパターンとは異なる第２のパターンの凹部によって特徴付けられており、
該材料を堆積させた後に、試料から該材料の一部を除去するために該試料を研磨することを含み、
該試料を研磨した後に、第１のおよび第２の領域上に励起光線を当てることを有し、
励起光線に応じて第１のおよび第２の領域から放出される蛍光Ｘ線の第１のおよび第２の強度を計測することを有し、該蛍光Ｘ線は、それぞれに、あるスペクトルの範囲にあり、該材料はその範囲において蛍光を発することが知られており、
第１のおよび第２の強度に基づいて、第１のパターンの凹部内に堆積した材料の厚さと、第１のパターンの凹部の幅とを、両方、評価することを含む。
【００１６】
当該方法は、試料を研磨する前に、少なくとも第２の領域上に励起光線を当てることを含み、かつ、該励起光線に応じて放出された蛍光Ｘ線の第３の強度を測定することを有し、かつ、第２の強度と第３の強度との間の差に基づいて、研磨によって除去された材料の量を判定することを含む。
【００１７】
開示する実施態様においては、第２のパターンが、平坦であって、かつ、凹部を含まない。任意的には、当該方法は、励起光線に応じて第３の領域から放出された蛍光Ｘ線の第３の強度を測定することを含み、第３の領域はその上に材料が堆積していないものであり、かつ、厚さと深さの両方を評価することが、測定された第３の強度を、厚さと深さの判定において、ゼロ基準として用いることを含む。
【００１８】
典型的には、第１の領域内の凹部は、線、パッド、タイル、および、貫通孔からなる特徴部の群の中から選択された少なくとも１つの特徴部を定めるように形成される。
【００１９】
加えて、本発明の実施態様による、試料の検査のための装置が提供され、当該装置は、
励起光源を含み、該励起光源は、平坦な試料のある領域に励起光線が当たるよう該光線を向わせるように構成されており、該試料は、その試料の平面に垂直な側壁を持った特徴部を有しており、該側壁はその上に薄膜を有しており、
１つ以上の検出器を含み、該検出器は、励起光線に応じて試料から放出された蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）の強度を測定するように配置されており、
信号プロセッサを含み、該プロセッサは、該強度に基づいて、側壁上の薄膜の厚さを評価するように作動するものである。
【００２０】
本発明の実施態様による、試料を処理するための装置がさらに提供され、当該装置は、
堆積ステーションを含み、該堆積ステーションは、試料の第１のおよび第２の領域を覆って材料を堆積させるように設けられており、第１の領域は、その表層に第１のパターンとして形成された１つ以上の凹部を有し、第２の領域は、第１のパターンとは異なる第２のパターンの凹部によって特徴付けられており、
研磨ステーションを含み、該研磨ステーションは、材料を堆積させた後に、試料から該材料の一部を除去するために該試料を研磨するように設けられており、
テストステーションを含み、該テストステーションは、試料を研磨した後に、第１のおよび第２の領域に励起光線を当てるように設けられ、かつ、励起光線に応じて第１のおよび第２の領域から放出される蛍光Ｘ線の第１のおよび第２の強度を計測するように設けられ、該蛍光Ｘ線は、それぞれに、あるスペクトルの範囲にあり、該材料はその範囲において蛍光を発することが知られており、かつ、第１のおよび第２の強度に基づいて、第１のパターンの凹部に堆積した材料の厚さと、第１のパターンの凹部の幅とを、両方、評価するように設けられている。
【００２１】
本発明の実施態様による、試料の検査のための装置がさらに提供され、
励起光源を含み、該励起光源は、該試料の第１のおよび第２の領域を覆う材料の堆積の後に、該試料の第１のおよび第２の領域上に励起光線を当てるように構成されており、第１の領域は、その表層に第１のパターンとして形成された１つ以上の凹部を有し、一方、第２の領域は、第１のパターンとは異なる第２のパターンの凹部によって特徴付けられ、かつ、材料の堆積に続いて該試料から材料の一部を除去するため該試料の研磨の後に、該試料の第１のおよび第２の領域上に励起光線を当てるように構成されており、
１つ以上の検出器を有し、該検出器は、第１のおよび第２の領域から励起光線に応じて放出される蛍光Ｘ線の第１のおよび第２の強度を計測するように設けられ、該蛍光Ｘ線は、それぞれに、あるスペクトルの範囲にあり、該材料はその範囲において蛍光を発することが知られており、かつ、
信号プロセッサを有し、該信号プロセッサは、第１のおよび第２の強度に基づいて、第１のパターンの凹部に堆積した材料の厚さと、第１のパターンの凹部の幅とを、両方、評価するように作動するものである、
【００２２】
本発明は、以下の実施態様の詳細な説明を図面と共に参照することにより、より一層理解されるであろう。
【００２３】
（態様の詳細な説明）
図１は、本発明の実施態様にかかる、マイクロ蛍光Ｘ線分析装置(X-ray microfluorescence analyzer)２０の概略図である。分析装置２０の態様は、上述の米国特許第６，１０８，３９８号に詳細に説明されている。分析装置２０は、ウエハ製造プロセスにおける欠陥(fault)を識別するために、以下に説明する方法を用いて半導体ウエハ２２（または別の試料）を試験するように配置される。
【００２４】
分析装置２０は、典型的には、Ｘ線管２４などのような励起源を有し、該励起源は、当該技術分野で知られているように、高電圧電源２６により駆動される。該Ｘ線管は、好適なエネルギー範囲(energy range)と電力束(power flux)とを有するＸ線を、Ｘ線光学系２８に放出する。光学系２８は、例えば、ポリキャピラリー・アレイを有していてもよい。光学系２８は、試料２２の表面上の微小領域３０（典型的には直径２０μｍのオーダーのスポットである）に、Ｘ線ビームを焦点を合わせて集める。照射された領域は、蛍光Ｘ線を放出し、該蛍光Ｘ線は、領域３０の周りに配置され領域３０に向けられた検出器３２のアレイ（配列）によって捕捉される。捕捉されたフォトンに応じて、検出器３２は電気信号を発生させ、該電気信号は、信号プロセッサ３４に伝達される。
【００２５】
代替的には、当該技術分野で知られている他のタイプの蛍光分析装置（あらゆる好適な励起光源、電源、焦点を合わせる光学系、検出システムを有するもの）が、ここに説明する方法を実施するために使用され得る。
【００２６】
プロセッサ３４は、典型的には、当該技術分野で知られているように、エネルギー分散型パルス処理システム(energy-dispersive pulse processing system)を有し、このシステムは、検出器によって捕捉されたＸ線フォトンの強度スペクトルを判定する。代替的には、波長分散型検出処理システム(wavelength-dispersive detection and processing system)が使用されてもよい。照射された領域内の各化学元素は、管２４からのＸ線によって励起され、特性スペクトル線になっているＸ線を放出する。特定の元素の特性スペクトル線の強度は、領域３０内のその元素の質量に比例する。従って、プロセッサ３４は、領域３０の区域内に特定の材料がどれだけ存在するかを判定するために、決定された強度スペクトルを使用する。プロセッサ３４は、典型的には、汎用コンピュータを有し、それは好適なソフトウェアの制御下でこれらの機能を実行する。該ソフトウェアは、例えば、ネットワークで、電子的フォームによりプロセッサにダウンロードされてもよく、また、代替的には、光学的な、磁気的な、または、電子的な記憶媒体などの、有形の媒体により提供されてもよい。
【００２７】
図１に示すように、分析装置２０は、ウエハ２２上の領域３０を試験するために用いられる。一実施態様においては、ウエハがＸ線ビームに対して移動することが可能となるように、試料が、Ｘ−Ｙステージ３５などのような可動プラットフォーム上に取り付けられる。代替的には、ウエハは、好適な定置取付具(stationary fixture)上に取り付けられ、一方で、管２４、光学系２８、検出器３２が動かされることにより、Ｘ線ビームがウエハを走査(scan)する。
【００２８】
さらに、分析装置２０は、反射、回折、および／または、小角度散乱(small-angle scattering)などの他のメカニズムによってウエハ２２から散乱したＸ線を、捕捉（キャプチャー）し処理するように構成されてもよい。この種の多機能システムは、例えば、米国特許第６，３８１，３０３号、第６，８９５，０７５号、および本特許出願の出願人に譲渡された米国特許出願第１１／２００，８５７号（２００５年８月１０日に提出）に記述されている。これらの特許および特許出願の開示は、参照したことによって本明細書に組み込まれる。
【００２９】
次に、図２を参照すると、同図は、本発明の実施態様にかかる半導体ウエハ４０の概略平面図であり、該ウエハは、典型的には、シリコンウエハであり、該ウエハの上には、テストパターン４２が形成されている。該ウエハは、複数のダイス(dies)４４に分割され、スクライブ線４６によって分離される。パターン４２は、典型的には、スクライブ線の１つの上に位置し、該線のどちらの側のダイス上にも顕著に侵入しないように、十分に狭く、典型的には幅が約７５μｍのオーダーである。任意には、より綿密なおよび／または多様なテストを可能とするために、ウエハ４０の他の領域に、パターン４２のような複数のパターンを形成することもできる。
【００３０】
図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の実施態様における、パターン４２の詳細を、平面図および断面図にてそれぞれ概略的に示している。パターン４２は、典型的には、ダイス４４上の機能的な素子の特徴部に沿って、ウエハ４０のプロセシングの適切な段階で形成され、これは当該技術分野で知られたフォトリソグラフィ技術を用いて行われる。本実施態様においては、該パターンは、誘電体層４９に形成されている。代替的には、該パターンは、実質的にはあらゆる層に生成されてもよく、ウエハの表面に形成され、エッチングされ、または別のやり方でパターン形成されたものであってよい。典型的には、パターン４２は、透明な基板を有するウエハ４０（即ち、以下に説明する、測定を混乱させ得るような下にある層を有しないもの）の一部に形成される。
【００３１】
パターン４２は、３つの領域を有しており、それら領域は、図に示すように、互い隣で接触していてもよく、または、互いにごく接近していてもよい。
・複数の凹部５６を有するテスト領域５０。凹部がエッチングされた後、それら凹部は、別の材料または複数の材料によって充填され、それは、ダイス４４上のデバイス特徴部同士の間の通路(vias)および他の凹部が充填されるのと同じ処理ステップ、および、同じ時間に行なわれる。従って、領域５０内の凹部５６は、典型的には、バリア層や金属層などの複数の層によって充填される。しかし、簡略化するために、これらの複数の層は、図３Ｂに明示していない。寸法（凹部５６の深さと幅、および、凹部をコーティングする層の厚さ）は、ダイス４４内の隣接するデバイス特徴部の寸法にたいてい類似する。
・ゼロ基準(zero reference)領域５２。この領域は、実質的に充填材料を含まない。
・全面的基準(full-scale reference)領域５４。この領域は、銅などの材料による全面的コーティング５８を有し、その材料によって凹部５６が充填される。
Ｘ線ビームが実質的に他の領域を侵害せずに各領域に目標を定め焦点を合わせることを可能とするために、各領域は十分に大きいことが望ましい（例えば、少なくとも５０×５０μｍ）。
【００３２】
図３Ａおよび図３Ｂに示す領域の形状と構成は、例として選択されたものである。該領域の他の配置も、加えて、凹部５６の他の形状や配置も、当業者にとっては明らかであろう。例えば、凹部は、円形あるいは矩形であってもよく（パッドまたはタイルの形態となったもの）、また、それらは、図３Ａに示した細長い溝に加えてまたは代わりに、正方形のまたは円形の貫通孔を有していてもよい。別の例として、基準領域５４は、図に示すように、凹部を有しないことが好ましいが、基準領域内の凹部のパターンがテスト領域内の凹部のパターンとは実質的に異なる限り、基準領域が凹部を含んでいてもよい。（この文脈および請求の範囲においては、図３Ａおよび図３Ｂに示すような基準領域５４内の凹部の不在は、テスト領域５０の凹部のパターンとは「凹部の異なるパターン」と見なされる。）さらに、本実施態様は、ウエハ４０の領域をテスト目的専用のものとして参照するが、代替的あるいは追加的に、適切なパターンの凹部を有するダイ４４の機能的領域が、ここに説明されるテスト目的に使用されてもよい。
【００３３】
パターン４２の領域は、様々なテスト目的に用いられることが可能であり、具体的にテスト目的には、ウエハ４０に堆積した特徴部の臨界寸法(critical dimension)の測定と、このような特徴部に適用される化学的機械的研磨（ＣＭＰ）の効果の評価とが含まれ、これらはさらに以下で説明される。凹部５６の幅（ダイス４６における機能的特徴部の限界寸法を反映する）は、システム２０において領域５０から受信したＸＲＦ信号から、原理上、推測できる。この測定の基礎にあるのは、充填材料（銅などのもの）の特性輝線(characteristic emission lines)における蛍光Ｘ線の強度が、凹部内の充填材料の量に比例するということである。従って、蛍光の強度は凹部の幅に比例し、凹部内の充填材料の深さが既知である限り、幅の正確な測定に用いることができる。しかし、堆積後に一部の充填材料を除去するためにＣＭＰあるいは他の技術が使用された場合は、充填材料の厚さが変わる傾向があるため、限界寸法の測定の精度が損なわれる。
【００３４】
この不確実性を解決するために、ＸＲＦ測定は領域５４にも施される。この領域では、考慮すべき幅変動が存在しないため、蛍光Ｘ線の強度は被覆５８の厚さにのみ比例する。ＣＭＰに起因する厚さの変化は、研磨前後の蛍光Ｘ線を測定することにより判定することが可能である。追加的あるいは代替的には、領域５０と領域５４との間での蛍光の強度の比が、凹部５６の幅の指標を与える。
【００３５】
測定の精度を上げるために、領域５０および５４からのＸＲＦの強度を、既知の品質の試料（例えば、過度にエッチングされた(over-etched)、少なくエッチングされた(under-etched)、適正にエッチングされた(properly-etched)特徴部を有する試料、および、過度に研磨された(over-polished)、少なく研磨された(under-polished)、適正に研磨された(properly-polished)試料）を用いて、事前に較正することが可能である。領域５０と領域５４と間の蛍光強度の比は、実際の加工中のウエハ上でなされるＸＲＦ測定から限界寸法と研磨効果とを判定するために適用できる測定基準(metrics)を定めるために、全ての異なるタイプの試料について測定してもよい。パターンが形成された領域（領域５０など）では、均一にコートされた領域（領域５４など）に比べて、ＣＭＰが異なった影響を膜厚に与えるため、この種の事前の較正（プレ−キャリブレーション）は特に有用である。
【００３６】
上述したＸＲＦ較正基準および指標とデバイスの電気的性能とを相互に関連付けるために、ダイス４６上のデバイスに対する後に続く電気的テストを用いることも可能である。
【００３７】
図４は、本発明の実施態様にかかる、半導体装置の製造に用いるクラスターツール６０の概略平面図である。クラスターツールは、複数のステーションを有し、ウエハ２２の表面に微細構造をエッチングするエッチングステーション６２と、ウエハに薄膜を堆積させる堆積(deposition)ステーション６４と、ウエハ表面の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を実行する研磨(polishing)ステーション６６と、テストステーション６７とを含んでいる。テストステーション６７は、システム２０（図１）と類似の方法で稼働し、従って、ウエハ２２上に堆積した層の限界寸法および厚さを評価するために、上述の方法が適用される。ロボット５９は、システム制御部６８の制御下で、ステーション６２、６４、６６、６７間でのウエハの移送を行う。ツール６０の操作は、制御部６０に連結されたワークステーション６９を用いて、オペレーターによって制御およびモニターされてもよい。
【００３８】
ツール６０における、エッチングステーション６２、堆積ステーション６４、ＣＭＰステーション６６によって実行される製造プロセスにおいて選択されたステップ（工程）の前および後に、テストステーション６７を、ウエハのＸ線検査を行うために使用してよい。例えば、テストステーションは、ＸＲＦ測定を適用して、堆積ステーション６４による金属の堆積の後、および／または、ＣＭＰステーション６６による研磨の後における、金属層の厚さとウエハの特徴部の限界寸法とを判定することが可能である。この装置は、制御部６８と、場合によってはワークステーション６９とを用いて、製品ウエハにある、加工偏差(process deviation)の早期発見、および、加工パラメータの手軽な調整と評価とを可能にする。処理量（スループット）およびデバイスの品質を最適化するために、クラスターツール６０の使用者は、製造のおよびテストのステップの順序を選択することができる。代替的には、テストステーション６７は、図４に示した処理チャンバから分離した、半導体製造において独立した(standalone)の要素として操作され得る。さらに代替的には、ＸＲＦ測定は、１つ以上の処理チャンバ内において、その場(in situ)で実行され得る。
【００３９】
図５は、基板層７１に形成されたパターン７０の概略的な断面図であり、その特性が、本発明の別の実施態様によるＸＲＦの方法によって測定されている。この実施態様では、パターン７０は、リッジ７２を有し、該リッジは薄膜層７４によって覆われている。例えば、層７４は、拡散バリア（Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、または、高いｋの誘電体など）を有することが可能であり、拡散バリアは、リッジ同士の間のギャップを金属で充填する前に、酸化物あるいは半導体材料で構成されるリッジ７２の上に堆積されている。層７４をパターン７０上に堆積させる処理は、該層の厚さが所定のプロセスの範囲内（典型的には１０〜２０Å）となるように、慎重に制御されなければならない。別の例として、層７４は、オンチップ・キャパシタの製造に用いられるコンフォーマル高ｋ誘電体膜を有していてもよい。
【００４０】
前述の実施態様と同様に、パターン７０を含んでいる領域から受け取られた蛍光Ｘ線は、層７４を形成する材料の輝線(emission line)になっており、該Ｘ線の強度は、試料の表面に堆積した材料の量に比例する。リッジ７２の幅、深さ、間隔が既知であるとして、強度測定から判定された総材料体積と層７４の厚さとを関連付けるために、幾何学的条件を用いてもよい。一実施態様においては、層の厚さが試料の表面全体にわたって一定であると仮定しており、よって、層７４の総表面積に依存して、ＸＲＦ強度と層厚との間の単純な直線的関係が得られる。
【００４１】
しかし、実際には、ウエハの幾何学形状と堆積装置のために、リッジ７２の側壁７６に堆積した層の厚さは、通常、リッジの上面部および底面部における水平な表面上での厚さよりも薄い。従って、側壁の層の厚さを明確に測定することが特に有用である。側壁の層の厚さを推定する１つの方法は、堆積のモデルを使用することであり、これは、側壁の堆積物の厚さに対する水平な表面上の堆積物の厚さの比を推定するために、理論上のものでも実証的なものでもよい。そして、この比は、ＸＲＦ強度から側壁の層の厚さを導くために、改変された幾何学形状のモデルに用いられてもよい。
【００４２】
別の代替手段として、試料の水平な表面上にある層７４の厚さが独立的に測定されてもよく、次いで、これを側壁の膜の厚さを導くために使用してもよい。水平な層の厚さを判定する１つの方法として、様々なパターンの凹部を有するウエハ表面の様々な領域からのＸＲＦ強度を測定し比較する方法がある。例えば、領域５４（図２Ａ）等の平坦で均一にコートされた水平な基準領域から放出されたＸＲＦの強度を、水平な層の厚さを得るために測定してもよく、次いで、それを、領域５０でなされた測定から側壁の層の厚さを導くことにおいて使用してもよい。
【００４３】
別の代替手段として、水平な表面上の層の厚さを直接測定するために、Ｘ線反射光測定(X-ray reflectometry)（ＸＲＲ）を使用してもよく、ＸＲＲ技術を用いることは、例えば、上述した米国特許第６，３８１，３０３号、または、米国特許第６，５１２，８１４号（参照したことによりその記載は本明細書に組み込まれる）に説明されているように、当該技術分野では知られている。この測定された水平な層の厚さは、次に、水平な表面上の層７４の体積を判定するために、パターンの幾何学的形状と共に用いてもよく、この体積は、ＸＲＦ測定から判定された層７４の総体積から減算されてもよい。これら２つの測定値の差は、側壁７６に堆積した層７４の残りの部分の体積にほぼ等しい。側壁の表面積は、リッジ７２の既知の形状に基づいて推定することが可能であり、側壁の層の厚さは、表面積に対する体積の比によって与えられる。
【００４４】
図６は、本発明の実施態様にかかる、システム２０によって捕捉（キャプチャー）されたＸＲＦスペクトルの概略図である。この例では、薄いタンタルのバリア層を有するウエハ２２のある領域上に銅が堆積している。該銅の層は、よく知られたＣｕ・Ｋａ１線８０と、Ｃｕ・Ｋｂ１線８２とになっている蛍光Ｘ線を放出する。タンタル・バリア層は、Ｔａ・Ｌａ１線８４と、Ｔａ・Ｌｂ線８６とになっている蛍光Ｘ線を放出する。Ｔａ・Ｌａ１線の強度は、通常、ウエハに堆積したタンタル層の厚さを好適に暗示するものであるが、この事例では、Ｔａ・Ｌａ１線は、より強力なＣｕ・Ｋａ１線によって覆い隠されている。
【００４５】
この問題を克服し、タンタル層の厚さを評価するために、プロセッサ３４は、スペクトル領域８８、９０のそれぞれにおける総ＸＲＦの強度を計算する。領域９０における強度は、銅層のみに起因する。領域８８における強度は、銅およびタンタルの蛍光の双方に起因する。タンタルの厚さを推定するために、領域８８、９０におけるそれら強度の基準比(reference ratio)が、タンタルを除外して決定される。（該基準比は、第一の原理から決定されてもよく、また、タンタル・バリア層を有しない基準ウエハを用いて測定されてもよい。）タンタル・バリア層の存在下で測定された領域８８、９０での強度の実際の比が、基準比と比較される。実際の比と基準比との差は、タンタル・バリア層に起因するため、Ｔａ・Ｌａ１線自体は解明できないものの、タンタルの厚さを推定することが可能である。
【００４６】
図７は、本発明の実施態様にかかる、上述の技術を用いて測定された領域８８と９０との間の強度の比を概略的に示す図である。この強度の比は、先の段落で説明したように、タンタル・バリア層の厚さの評価を与える。該プロットは、強度の比の分布、そして、それによるウエハ２２の領域１００を覆うタンタルの堆積の厚さを示すために、擬似色(pseudo-color)および立面を用いている。このようにして、プロセッサ３４は、領域１０２などのウエハの特定の領域における、減じられたタンタルの範囲(coverage)を検出することができる。以上、具体的にタンタルおよび銅を参照して、上述の図６および図７の技術を説明したが、この技術の原理は、他の多層構成（オーバラップするスペクトル線を有する互いに異なった元素からなる層が基板上に堆積している）における、他の元素の厚さの測定に同様に適用することができる。
【００４７】
上述の実施態様は、例示のものとして引用したものであり、本発明は、上に詳細に示し説明したものに限定されないことは理解されるであろう。むしろ、本発明の対象範囲には、上述の各種特徴部の結合（コンビネーション）および小結合（サブコンビネーション）の双方が含まれ、さらに、当業者が前述の説明を読むことにより気付き、従来の技術に開示されていない本発明の変形（バリエーション）および改修（モディフィケーション）もまた含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の実施態様にかかる、マイクロ蛍光Ｘ線測定のシステムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施態様にかかる、テストパターンが形成された半導体ウエハの概略平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施態様にかかる、図２のテストパターンの詳細を示した平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施態様にかかる、図２のテストパターンの詳細を示した断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施態様にかかる、検査ステーションを含んだ、半導体装置製造用のクラスターツールの概略平面図である。
【図５】図５は、本発明の実施態様にかかる、薄膜層により被覆され、テストされた、試料の表面上の周期パターンの概略断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施態様にかかる、マイクロ蛍光Ｘ線測定のためにシステムにより捕捉されたＸＲＦスペクトルの概略図である。
【図７】図７は、本発明の実施態様にかかる、マイクロ蛍光Ｘ線測定を用いて測定されたバリア層の厚さを概略的に示すプロットである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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