(57)【要約】【課題】  高分解能のマイクロ蛍光Ｘ線測定を実行するための、改善された方法およびシステムを提供する。【解決手段】  試料の表面に適用された材料を試験する方法は、既知のビーム幅および強度断面を有する励起ビームを試料の領域に方向付けることを包含する。励起ビームに応答して領域から放射された蛍光Ｘ線の強度が測定される。測定された蛍光Ｘ線強度および励起ビームの強度断面に応答して、ビーム幅よりも微細な空間分解能で、領域内の材料の分布が概算される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面に適用された材料を試験する方法であって、
既知のビーム幅および強度断面を有する励起ビームを、前記試料の領域上に方向付け、
前記励起ビームに応答して前記領域から放射される蛍光Ｘ線の強度を測定し、
前記蛍光Ｘ線の前記測定強度、ならびに前記励起ビームの前記強度断面に応答して、前記ビーム幅よりも微細な空間分解能で前記領域内における前記材料の分布を概算することを含む方法。
【請求項２】
前記試料が半導体ウエハを含み、前記領域が前記ウエハ上の金属で充填されたフィーチャを含み、かつ前記分布を概算することが、前記フィーチャ内の欠陥を識別することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記欠陥が、ディッシング効果およびティルティング効果の少なくとも１つを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記励起ビームを方向付けることが、前記表面上のフィーチャ全体にわたって前記ビームを走査することを含み、前記強度を測定することが、前記走査されたフィーチャの測定ＸＲＦプロファイルを作成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記強度を測定することが、前記測定ＸＲＦプロファイルからバックグラウンドノイズを減算することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記分布を概算することが、模擬ＸＲＦプロファイルを作成するために、前記フィーチャの模擬プロファイルと、前記励起ビームの前記強度断面を表すビームモデルとの間の畳み込みを計算することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記ビームモデルが少なくとも１つのガウス関数を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記分布を概算することが、模擬ＸＲＦプロファイルを測定ＸＲＦプロファイルに適合させることを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記模擬プロファイルを適合させることが、前記フィーチャの前記模擬ＸＲＦプロファイルに対して反復最適化プロセスを適用することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記反復プロセスを適用することが、前記測定ＸＲＦプロファイルと前記模擬ＸＲＦプロファイルとの差を定量化するために、性能指数（ＦＯＭ）関数を計算することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記反復プロセスを適用することが、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を適用することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記概算された分布の前記空間分解能が前記ビーム幅の半分よりも微細である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
試料の表面に適用された材料を試験する装置であって、
既知のビーム幅および強度断面を有する励起ビームを、前記試料の領域上に方向付けるように結合された放射源と、
前記励起ビームに応答して前記領域から放射される蛍光Ｘ線の強度を測定するように結合された検出器のアレイと、
前記蛍光Ｘ線の前記測定強度、ならびに前記励起ビームの前記強度断面に応答して、前記ビーム幅よりも微細な空間分解能で前記領域内における前記材料の分布を概算するように構成されたプロセッサとを備える装置。
【請求項１４】
前記試料が半導体ウエハを含み、前記領域が前記ウエハ上の金属で充填されたフィーチャを含み、かつ前記プロセッサが、前記フィーチャ内の欠陥を識別するように構成された、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記欠陥が、ディッシング効果およびティルティング効果の少なくとも１つを含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記放射源が、前記表面上のフィーチャ全体にわたって前記ビームを走査するように構成され、前記検出器のアレイが、前記走査されたフィーチャの測定ＸＲＦプロファイルを作成するように構成された、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記プロセッサが、前記測定ＸＲＦプロファイルからバックグラウンドノイズを減算するように構成された、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記プロセッサが、前記フィーチャの模擬ＸＲＦプロファイルを作成するために、前記フィーチャの模擬プロファイルと、前記励起ビームの前記強度断面を表すビームモデルとの間の畳み込みを計算するように構成された、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記ビームモデルが少なくとも１つのガウス関数を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記プロセッサが、前記材料の前記分布を概算するために、模擬ＸＲＦプロファイルを測定ＸＲＦプロファイルに適合させるように構成された、請求項１６に記載の装置。
【請求項２１】
前記プロセッサが、前記模擬ＸＲＦプロファイルを前記測定ＸＲＦプロファイルに適合させるために、前記フィーチャの前記模擬ＸＲＦプロファイルに対して反復最適化プロセスを適用するように構成された、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記プロセッサが、前記測定ＸＲＦプロファイルと前記模擬ＸＲＦプロファイルとの差を定量化するために、性能指数（ＦＯＭ）関数を計算するように構成された、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記反復最適化プロセスが遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を含む、請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記概算された分布の前記空間分解能が前記ビーム幅の半分よりも微細である、請求項１３に記載の装置。
【請求項２５】
試料の表面に適用された材料を試験するためのコンピュータソフトウェア製品であって、前記製品がプログラム命令が格納されたコンピュータ可読媒体を含み、前記命令が、前記コンピュータで読み出されたときに、励起ビームの強度断面を前記コンピュータに受け取らせ、前記励起ビームが、前記試料の領域を励起し、前記励起ビームに応答して前記領域から放射された蛍光Ｘ線の強度の測定値を受け取り、また、前記蛍光Ｘ線の前記強度の前記測定値ならびに前記励起ビームの前記強度断面に応答して、前記ビーム幅よりも微細な空間分解能で前記領域内における前記材料の分布を概算するのに使用される、コンピュータソフトウェア製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、非破壊試験に関し、特に半導体デバイスを作成する際に形成される薄膜層の試験の方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造プロセスは、改善された技術および積極的なコスト目標を支えるために、継続的に向上している。集積回路（ＩＣ）は、ますます複雑になり、より多数の構成要素および機能を集積化している。半導体技術が向上するにしたがって、特徴的な構成要素のサイズおよび層の厚さは減少し、より多くの機能性をより小さなダイに収めることが可能になっている。同時に、競争の激しい消費者市場により、半導体メーカーに、ますます積極的なコスト目標を満たすことを強いられている。
【０００３】
生産ライン内で半導体ウエハを試験する速度および質は、製造スループット、達成可能な収率、および完成製品の信頼性に、重要な影響をもつ。これらの要因はすべて、最終製品のコストに影響する。
【０００４】
半導体ウエハの試験に使用される方法の１つは、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）測定であり、具体的には、マイクロ蛍光Ｘ線（すなわち、狭く、集束した励起ビームを用いる蛍光Ｘ線）である。蛍光Ｘ線は、試料の元素組成を決定するための周知の技術である。ＸＲＦアナライザは、一般に、試料を照射するＸ線源と、照射に応答して試料から放射された蛍光Ｘ線を検出するためのＸ線検出器を包含する。試料中の各元素は、その元素に固有のエネルギーバンド内の蛍光Ｘ線を放射する。検出された蛍光Ｘ線は、解析されて、検出された光子のエネルギー、または対応するような波長が見出され、この解析に基づいて、試料の定性的および／または定量的組成が決定される。
【０００５】
例えば、米国特許第６，１０８，３９８号は、ＸＲＦアナライザおよび試料を解析する方法を記載しており、その開示を参考として本明細書に組み込む。このアナライザは、試料のあ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線光子を生成するＸ線ビーム発生器を包含する。半導体検出器のアレイが、蛍光Ｘ線光子を捕捉するように、スポットの周りに配置される。アナライザは、試料の解析に好適な電気的パルスを作り出す。
【０００６】
半導体ウエハの試験にマイクロ蛍光Ｘ線を使用することは、米国特許第６，３５１，５１６号に記載されており、その開示を参考として本明細書に組み込む。この特許は、試料の表面上の凹部内における材料の蒸着および／または除去を試験する、非破壊方法について記載している。励起ビームは、試料の凹部近傍の領域に向けられ、その領域から放射された蛍光Ｘ線の強度が測定される。凹部内に蒸着された材料の量は、測定された強度に応答して決定される。
【０００７】
マイクロ蛍光Ｘ線の別の応用例は、ランコズらの論文「パターン薄膜の定量的蛍光Ｘ線微量分析の研究」（Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｘ−ｒａｙ  Ａｎａｌｙｓｉｓ、第４３巻、１９９９年、４９７〜５０３ページ）に記載されており、これを参考として本明細書に組み込む。著者らは、平行マイクロビームを用いた蛍光Ｘ線微量分析の方法を記載している。この方法は、イオンスパッタリング技術によって作成された、薄膜の厚さおよび均一性を試験するのに適用される。
【特許文献１】米国特許第６，１０８，３９８号
【特許文献２】米国特許第６，１９２，１０３号
【非特許文献１】ランコズら（Ｌａｎｋｏｓｚ  ｅｔ  ａｌ．）著  論文「パターン薄膜の定量的蛍光Ｘ線微量分析の研究」第４３巻、１９９９年、４９７〜５０３ページ（“Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  Ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ，”  Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｘ−ｒａｙ  Ａｎａｌｙｓｉｓ、  ｖｏｌｕｍｅ  ４３，  １９９９，  ｐａｇｅｓ  ４９７−５０３）
【非特許文献２】シンガー（Ｓｉｎｇｅｒ）著  「ディッシングに照準を合わせた銅ＣＭＰ」（２００４年１０月）（“Ｃｏｐｐｅｒ  ＣＭＰ：  Ｔａｋｉｎｇ  Ａｉｍ  ａｔ  Ｄｉｓｈｉｎｇ，”Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（ｗｗｗ．ｒｅｅｄ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．ｃｏｍ／ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ／）、Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
現在利用可能なマイクロ蛍光アナライザは、その能力が、数十ミクロンよりも小さな特徴的なサイズを有するフィーチャ（feature）を識別することに制限されている。後述するように、マイクロ蛍光アナライザでウエハの領域を走査する場合、得られるＸＲＦプロファイル（すなわち、走査に沿った位置の関数としての蛍光Ｘ線強度）は、走査された領域の層厚さプロファイルを励起ビームの強度断面で畳み込んだものと見なしてもよい。したがって、ＸＲＦプロファイルの空間分解能は、Ｘ線励起ビームの有限のビーム幅によって制限される。標準的には、Ｘ線ビームは、約２０ミクロンよりも小さなビーム幅には容易に集束させることができない。この制限は、標準的には、集束光学系の性能と、ビームの波長によって規定される臨界角によるものである。
【０００９】
多くの実際の応用例では、標準的には数ミクロン単位のより良好な分解能で、ＸＲＦ走査を実行することが望ましい。そのような１つの応用例は、半導体ウエハ製造プロセスにおけるプロセス不良の検出である。半導体ウエハは、５０〜１００ミクロン単位の特徴的なサイズを有する、導体パッドおよびヴィア（via）などの、金属フィーチャを含んでいる。ウエハの加工形成中に時々生じるいくつかの既知の不良は、導体パッドまたはヴィアの表面からの、金属の望ましくない除去によって特徴付けられる。「ディッシング」および「ティルティング」と称されるこれらの侵食効果は、数ミクロンの特徴的なサイズを有する顕著な幾何学パターンを備えたウエハの金属面を形作る。以下に説明されるように、従来のＸＲＦアナライザは、標準的には、これらの侵食パターンを識別し測定するのに十分な空間分解能を有さない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態は、高分解能のマイクロ蛍光Ｘ線測定を実行するための、改善された方法およびシステムを提供する。これらの実施形態は、ビームの既知の強度断面関数を考慮に入れることにより、使用されるＸ線励起ビームのビーム幅よりもはるかに良好な空間分解能を提供する。
【００１１】
一実施形態では、半導体ウエハの表面上の導体パッド（contact pad）は、従来のマイクロ蛍光アナライザを使用して走査され、パッドの測定ＸＲＦプロファイルが作成される。模擬パッドプロファイルおよび励起ビームモデルが畳み込まれ、模擬ＸＲＦプロファイルが作成される。模擬パッドプロファイルおよびビームモデルのパラメータは、得られる模擬ＸＲＦプロファイルが測定ＸＲＦプロファイルに適合するまで、反復最適化プロセスを用いて共に最適化される。最適化に続いて、プロセッサは、最適化された模擬パッドプロファイルから、走査されたパッドにおけるディッシングおよびティルティング効果の定量的概算値を抽出する。
【００１２】
マイクロ蛍光アナライザは、このようにして、半導体ウエハ中のディッシングおよびティルティング効果を検出し、識別し、かつ定量化する開示の方法によって提供される、優れた空間分解能を使用する。開示される方法およびシステムは、半導体メーカーに、製造プロセス中で起こり得る不良に関する重要な情報を提供している。
【００１３】
したがって、本発明の一実施形態によれば、試料の表面に適用された材料を試験する方法であって、
既知のビーム幅および強度断面を有する励起ビームを、試料の領域上に方向付け、
励起ビームに応答して領域から放射される蛍光Ｘ線の強度を測定し、
蛍光Ｘ線の測定強度、ならびに励起ビームの強度断面に応答して、ビーム幅よりも微細な空間分解能で領域内における材料の分布を概算することを包含する方法が提供される。
【００１４】
開示される一実施形態では、試料は半導体ウエハを包含し、領域はウエハ上の金属で充填されたフィーチャを包含し、かつ分布を概算することは、フィーチャ内の欠陥を識別することを含む。加えてまたは別の方法として、欠陥は、ディッシング効果およびティルティング効果の少なくとも１つを包含する。
【００１５】
別の実施形態では、励起ビームを方向付けることが、表面上のフィーチャ全体にわたってビームを走査することを包含し、強度を測定することは、走査されたフィーチャの測定ＸＲＦプロファイルを作成することを包含する。加えてまたは別の方法として、強度を測定することは、測定ＸＲＦプロファイルからバックグラウンドノイズを減算することを包含する。
【００１６】
さらに別の実施形態では、分布を概算することが、模擬ＸＲＦプロファイルを作成するために、フィーチャの模擬プロファイルと、励起ビームの強度断面を表すビームモデルとの間の畳み込みを計算することを包含する。加えてまたは別の方法として、ビームモデルは少なくとも１つのガウス関数を包含する。
【００１７】
さらに別の開示される実施形態では、分布を概算することが、模擬ＸＲＦプロファイルを測定ＸＲＦプロファイルに適合させることを包含する。加えてまたは別の方法として、模擬プロファイルを適合させることは、フィーチャの模擬ＸＲＦプロファイルに対して反復最適化プロセスを適用することを包含する。さらに加えてまたは別の方法として、反復プロセスを適用することが、測定ＸＲＦプロファイルと模擬ＸＲＦプロファイルとの差を定量化するために、性能指数（ＦＯＭ）関数を計算することを包含する。別の実施形態では、反復プロセスを適用することが、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を適用することを包含する。
【００１８】
開示される実施形態では、概算された分布の空間分解能がビーム幅の半分よりも微細である。
【００１９】
また、本発明の一実施形態によれば、試料の表面に適用された材料を試験する装置であって、
既知のビーム幅および強度断面を有する励起ビームを、試料の領域上に方向付けるように結合された放射源と、
励起ビームに応答して領域から放射される蛍光Ｘ線の強度を測定するように結合された検出器のアレイと、
蛍光Ｘ線の測定強度、ならびに励起ビームの強度断面に応答して、ビーム幅よりも微細な空間分解能で領域内における材料の分布を概算するように構成されたプロセッサとを包含する装置が提供される。
【００２０】
さらに、本発明の一実施形態によれば、試料の表面に適用された材料を試験するためのコンピュータソフトウェア製品であって、製品はプログラム命令が格納されたコンピュータ可読媒体を包含し、命令が、コンピュータで読み出されたときに、励起ビームの強度断面をコンピュータに受け取らせ、励起ビームが、試料の領域を励起し、励起ビームに応答して領域から放射された蛍光Ｘ線の強度の測定値を受け取り、また、蛍光Ｘ線の強度の測定値ならびに励起ビームの強度断面に応答して、ビーム幅よりも微細な空間分解能で領域内における材料の分布を概算するのに使用される、コンピュータソフトウェア製品が提供される。
【００２１】
本発明は、本発明の実施形態の以下の詳細な説明を図面と併せ読むことで、より完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
システムの説明
図１は、本発明の一実施形態に従った、マイクロ蛍光Ｘ線アナライザ２０の概略図である。アナライザ２０の態様は、上記に引用した米国特許第６，１０８，３９８号に詳細に記載されている。アナライザ２０は、後述する方法を用いてウエハ加工形成プロセスにおける不良を識別するために、試料２２、標準的には半導体ウエハを検査するように構成される。
【００２３】
アナライザ２０は、標準的には、当該技術分野では既知のように、高圧電源２６によって駆動されるＸ線管２４を備える。Ｘ線管は、Ｘ線光学系２８内に、好適なエネルギー範囲および電力束を有するＸ線を放射する。光学系は、標準的にはポリキャピラリアレイを含む。光学系２８は、標準的には直径２０ミクロン単位のスポットである、試料２２表面の小さな領域３０上に、Ｘ線ビームを集束させる。照射された領域は蛍光Ｘ線を放射し、そのＸ線は、領域３０の周りに配置され、そこに向かって斜めにされた検出器３２のアレイで捕捉される。検出器３２は、捕捉された光子に応答して電気的信号を発生させ、それがプロセッサ３４に伝えられる。
【００２４】
あるいは、いずれかの好適な励起源、電源、集束光学系、および検出システムを備える、当該技術分野で既知の他のタイプの蛍光アナライザを、本明細書に記載の方法を実施するために使用してもよい。
【００２５】
当該技術分野では既知のように、プロセッサ３４は、標準的には、検出器で捕捉されたＸ線光子の強度スペクトルを決定する、エネルギー分散方式パルス処理システムを備える。あるいは、波長分散方式検出および処理システムが使用されてもよい。管２４からのＸ線で励起された照射領域内にある化学元素はそれぞれ、固有スペクトル線でＸ線を放射する。所定の元素の固有スペクトル線の強度は、領域３０内にあるその元素の質量に比例する。したがって、プロセッサ３４は、割り出された強度スペクトルを用いて、領域３０の範囲内に特定の材料がどれだけ存在するかを決定する。
【００２６】
後述する解析機能の目的のため、プロセッサ４０は、標準的には、好適なソフトウェアの制御下でそれらの機能を実行する、汎用コンピュータプロセッサを含む。このソフトウェアは、電子的形態で、例えばネットワーク上でプロセッサにダウンロードされてもよく、あるいは別の方法として、光学メモリ、磁気メモリ、または不揮発性電子メモリなどの、実体のある媒体で提供されてもよい。さらに別の方法として、後述する機能は、専用ハードウェアロジックで、またはハードウェア要素とソフトウェア要素の組み合わせを使用して、実施されてもよい。
【００２７】
図１に示されるように、アナライザ２０は、試料２２上の領域３０を検査するのに使用される。一実施形態では、試料をＸ線ビームに対して移動することが可能になるように、試料は、Ｘ−Ｙステージ３５などの可動プラットホームに載置される。あるいは、試料は好適な固定の取付具の上に載置され、一方で、Ｘ線ビームが試料を走査できるように、管２４、光学系２８、検出器３２が移動される。走査は、標準的には、直線の走査線をたどって所定の座標範囲全体にわたって実行される。走査の結果は、走査線に沿った位置の関数として特定の材料の定量分布（換言すれば、厚さ）を示す、測定ＸＲＦプロファイルである。
【００２８】
ディッシングおよびティルティング効果
図２は、一般的なディッシング効果を示す、試料２２、本実施例では半導体ウエハの一部を概略的に示す図である。標準的なウエハ加工形成プロセスでは、ウエハは、シリコン基板４２上に形成された、標準的には二酸化シリコンを含む誘電体層４０を含む。導電体のためのヴィア、トレンチ、および導体パッドのための凹部などのフィーチャは、フォトリソグラフィプロセスによって層４０に形成される。これらのフィーチャは、導電材料、標準的には銅で充填される。フィーチャに銅を充填する前処理として、銅が誘電体層に入り込むのを防ぐために、層４０の上にまずバリア層４４が蒸着される。バリア層は、標準的にはタンタルを含む。次いで、フィーチャの残りの容積に、銅充填物４６が充填される。このプロセスは、本発明のいくつかの実施形態の操作を理解する助けとして、一例としてここに記載される。しかしながら、本発明の原理は、他のタイプの材料およびプロセスで生じるディッシング効果を検出するのに同様に適用されてもよい。
【００２９】
異なる層の蒸着に続いて、試料２２に、標準的にはＣＭＰ（化学機械研磨）プロセスを含む、平坦化プロセスが施される。このプロセスでは、試料は、ウエハから余分な銅を除去する研磨パッドを用いて研磨される。研磨プロセスでは、標準的には、研磨粒子を含む研磨スラリーを使用する。ＣＭＰプロセス中に除去される材料の量は、研磨パッドによってかけられる圧力、スラリーの研磨特性、ならびにウエハ表面上の銅の異なるパターンに依存する。
【００３０】
研磨パッドまたはスラリーが、ヴィアまたは導体パッド内から銅充填物の一部を除去する場合、研磨プロセス中に、ディッシング効果が生じることがある。この過剰な銅の除去により、特徴的な皿状のくぼみが作られ、よって「ディッシング」という名がある。当然ながら、ディッシングは、より大きな銅表面を有するフィーチャにおいて、より顕著である。導電ラインなどのより狭いフィーチャは、ディッシングの影響を受けにくい。ＣＭＰプロセスのいくつかの態様、ならびにディッシングおよび他の侵食効果の説明は、シンガーによる文献「ディッシングに照準を合わせた銅ＣＭＰ」（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（ｗｗｗ．ｒｅｅｄ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．ｃｏｍ／ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ／）、２００４年１０月）にも記載されており、これを参考として本明細書に組み込む。
【００３１】
図２を参照すると、ウエハは、適切に研磨された導体パッド５０を含む。バリア層およびパッド５０の銅充填物は、誘電体層４０の表面と同一平面にある。一方で、導体パッド５２は顕著なディッシング効果を示している。銅充填物の大部分、ならびにバリア層材料の一部は、研磨プロセスによって望ましくなく除去されている。導体パッドの群５４は、さらにより重度の効果を示している。個々のパッドのディッシングに加えて、群５４では、誘電体層４０も顕著な侵食を受けている。
【００３２】
図３Ａは、本発明の一実施形態にしたがって測定されるディッシング効果の特性を概略的に示す図である。パッド５２の銅充填物の皿形状を図に見ることができ、ここで、ＴＥはパッド縁部における銅の厚さを表し、ＴＣはパッド中心における銅の厚さを表す。パッドのディッシングは、Ｄ＝（ＴＥ−ＴＣ）／ＴＣとして定量的に定義される。銅の厚さプロファイルは、標準的には、ｘをパッド中心からの水平距離とする放物線関数Ｔ（ｘ）＝ＴＣ・（１＋Ｄｘ２）としてモデル化される。
【００３３】
平坦化プロセスのさらなる望ましくない効果は「ティルティング」と呼ばれ、標準的には、研磨パッドによって導体パッドまたはヴィアにかけられる不均一な圧力に起因する。そのようなヴィアまたは導体パッドの表面は、平坦であるが、誘電体層４０の表面に対して対角線上に傾斜している。
【００３４】
図３Ｂは、本発明の一実施形態にしたがって測定される導体パッドのティルティング効果を概略的に示す図である。銅充填物の傾斜形状を図に見ることができ、ここで、ＴＬ、ＴＣ、およびＴＲはそれぞれ、パッドの左側縁部、中心、および右側縁部の銅の厚さを表す。パッドのティルティングは、Ｔｉｌｔ＝（ＴＲ−ＴＬ）／ＴＣとして定量的に定義される。
【００３５】
場合によっては、導体パッドがディッシングおよびティルティングの両方を受けることがある。そのような場合、例えば図４Ｂによって以下に示されるように、パッドプロファイルは、標準的には、Ｔ（ｘ）＝ＴＣ・［１＋（Ｔｉｌｔ／２）・ｘ＋Ｄｘ２］で与えられる放物線形状としてモデル化される。この場合、銅は、パッドの左側縁部および右側縁部で異なる厚さを有する。
【００３６】
上述の図３Ａおよび３Ｂの幾何学的な説明、ならびに本願全体にわたる他の幾何学的な説明は、概念を明瞭にするため、１つの軸のみに沿ったディッシングおよびティルティング効果を例証する。実際には、これらの効果は、標準的には２次元表面全体にわたってパッドおよびヴィアを侵食する。
【００３７】
ディッシング／ティルティングの検出方法
上述したように、現在利用可能なマイクロ蛍光測定方法の主な制限は、その制限された空間分解能である。制限された分解能は、標準的には、励起ビームの、したがって試料２２表面上における照射領域３０の範囲の、達成可能な最小幅に起因する。そのような照射領域の標準的な直径は、約２０ミクロン単位であり、これは、導体パッドまたはヴィアの特徴的なサイズと同位である。標準的には、従来のマイクロ蛍光アナライザは、領域３０内の銅の総質量を概算し、この領域に対して予測された質量との偏差があるかどうかを示すことしかできない。領域３０内に含まれる銅の全質量が蛍光Ｘ線を放射するので、従来のアナライザは、導体パッド中の銅の分布のより微細な幾何学的パターンを識別するなど、領域３０よりも小さな特徴的サイズを有する細部を分解することができない。
【００３８】
銅の著しく低い質量が、ディッシング、ティルティング、または他の侵食メカニズムによって生じることがある。銅充填物４６内部の充填されていない空洞によって、偏差が生じることもある。しかしながら、従来のＸＲＦアナライザは、照射領域内における銅パターンのより微細な細部を分解することができないので、この問題を識別し、または特徴付けることができない。
【００３９】
本発明の実施形態は、マイクロ蛍光アナライザの空間分解能を改善することにより、異なる侵食メカニズムを検出し、識別し、定量化するための、改善された方法を提供する。開示される方法は、励起ビーム（換言すれば、ビーム中心からの距離の関数としての、ビームによって生成されたＸ線フラックスの強度分布）の強度断面関数についての知識に基づいている。この情報を使用して、本発明の実施形態は、後述するように、測定ＸＲＦプロファイルの分解能を１０ミクロンよりも大幅に下回るところまで改善する。
【００４０】
図４Ａは、本発明の一実施形態にしたがった、Ｘ線励起ビームの標準的な強度断面を概略的に示すプロットである。曲線６０は、ビームを横切るＸ線フラックスの相対強度を示す。ビームの総エネルギーは、曲線６０の下の面積を統合することによって、概算することができる。図に見られるように、ビームのエネルギーのほとんどは、約２０ミクロンの幅に制限される。
【００４１】
図４Ｂは、本発明の一実施形態にしたがって測定された、パッド中の銅の厚さ分布を概略的に示すプロットである。曲線６４は、パッド中心からの水平距離の関数として、銅充填物４６の相対厚さを示す。図４Ｂで表されるパッドは、約１００ミクロンの直径を有する。プロファイルの放物線形状およびパッド縁部における不均一な銅の厚さによって示されるように、パッドは、ディッシングおよびティルティングの両方を受けている。
【００４２】
図４Ｃは、本発明の一実施形態にしたがった、測定ＸＲＦプロファイルを概略的に示すプロットである。曲線６８は、図４Ａに示した励起ビームで、図４Ｂで上述したパッドを横切って走査することによって測定された、蛍光Ｘ線放射の相対強度を示す。曲線６８は、Ｘ軸に沿ってパッド全体を走査する間に、パッド中心からのＸ線励起ビームの中心の距離の関数として、検出器３２で受け取られた蛍光強度を示す。ある程度のパッドの変形を曲線６８で観察することができるが、大まかな形状しか見ることができない。曲線６８の分解能が制限されている原因は、励起ビームの横断面の幅が、パッドのサイズの同位であるという事実にある。曲線６８は、曲線６０（ビーム横断面）および曲線６４（パッドプロファイル）の畳み込みとして見てもよい。後述する方法は、この分解能を数ミクロンまで改善する。
【００４３】
図５は、本発明の一実施形態にしたがった、ディッシングおよびティルティングを測定するための、プロセッサ３４によって実施される方法を概略的に示すフローチャートである。方法は、プロファイル受取りステップ７０において、測定ＸＲＦプロファイルをプロセッサが受け取ることから始まる。測定ＸＲＦプロファイルは、標準的にはウエハの表面上の試験済みパッドをカバーする所定の走査線上の、システム２０内のウエハの範囲を走査した結果である。
【００４４】
プロセッサ３４はまた、ビームモデリングステップ７２において、測定ＸＲＦプロファイルを得るのに使用されるＸ線励起ビーム（「ビームモデル」と称される）の強度断面の初期のモデルを受け取る。標準的には、ビームをモデリングするために、ガウスモデルが使用される。一実施形態では、プロセッサ３４は、ビームを定義するパラメータの初期値の組を使用する。あるいは、ユーザは、ガウスビームをモデリングするために、パラメータのいくつかまたはすべてを指定してもよい。パラメータの標準的な組は次のものを含む。
○ビームのＦＷＨＭ（半値全幅）幅。
○最大ビーム強度。
○バックグラウンドオフセットおよび勾配などのバックグラウンド減算パラメータ（線形のバックグラウンドモデルが使用される場合。バックグラウンド減算は、下記のステップ７６の説明に詳細に記載される。）
○走査線の軸に垂直な、走査されたフィーチャの中心からの走査線の距離を表すＹ方向オフセット。
【００４５】
１つの代替実施形態では、ビームモデルは、ユーザによって提供された、あるいは好適な高分解能測定ジグおよび検出器を用いてシステム２０で得た実験データに基づいて、プロセッサで計算されてもよい。例えば、ユーザは、強度断面を表す１組の測定データポイントを提供してもよい。次いで、プロセッサは、測定データポイントに最良に適合する、ガウス曲線などのビームプロファイルを計算する。別の実施形態では、ビームモデルは、２つのガウス関数の和を含む。例えば、ビームプロファイルの後部の理想的な（ガウス）形状からの偏差を補償するために、第１の比較的狭いガウス曲線が、はるかに幅の広いＦＷＨＭを有する第２のガウス曲線と合計されてもよい。
【００４６】
プロセッサは、パッドモデリングステップ７４において、パッドの模擬の幾何学的プロファイルを構築する。一実施形態では、プロセッサは、模擬パッドプロファイルのためのパラメータの初期値の組を使用する。あるいは、ユーザは、パッドプロファイルのパラメータのうちの、いくつかまたはすべてを指定することができる。パラメータの標準的な組は次のものを含む。
○パッド長さ  −  走査線に平行なパッドの寸法。
○パッド幅  −  走査線に垂直なパッドの寸法。
○模擬パッドプロファイルで使用されるポイントの数。
○ディッシング  −  名目上の仮想ディッシング値。
○ティルト  −  名目上の仮想ティルティング値。（ティルトは正または負であることができ、これはティルト方向を示す。）
○Ｘ方向オフセット  −  走査線に平行な寸法での、パッドの名目上および実際の中心の差。
【００４７】
上記ステップ７４で指定されたパッドプロファイル、およびステップ７２で指定されたビームモデルは、「初期の推測」と見なされ、後述するように、最適化プロセスに対する初期条件として後で使用される。ステップ７０、７２、および７４は、互いに独立しており、任意の便利な順序でプロセッサ３４によって実行されてもよい。
【００４８】
方法は、引き続き、モデル計算ステップ７６において、初期の模擬ＸＲＦプロファイルをプロセッサ３４で計算する。上述のように、ＸＲＦプロファイル（模擬の、または測定したもののいずれか）は、パッドプロファイルおよびビーム強度断面を畳み込むことによって決定される。プロセッサは、（ステップ７４で得られた）模擬パッドプロファイルと（ステップ７２で得られた）ビームモデルとの間で畳み込みを実行して、模擬ＸＲＦプロファイルを作成する。
【００４９】
ステップ７６は、引き続き、プロセッサ３４で、測定ＸＲＦプロファイルを模擬ＸＲＦプロファイルに対して正規化する。一実施形態では、プロセッサは、正規化パラメータの初期値の組を使用する。あるいは、ユーザは、パラメータのいくつかまたはすべてを指定してもよい。正規化パラメータの標準的な組は次のものを含む。
○測定ＸＲＦプロファイルの最大強度を正規化するための乗法的正規化因数。
○測定ＸＲＦプロファイルおよび模擬ＸＲＦプロファイルが揃うように、走査線に平行な寸法で測定ＸＲＦプロファイルをシフトさせるための、シフトパラメータ。
○バックグラウンド減算の方法を指定する任意のバックグラウンドパラメータ。一実施形態では、プロセッサは、プロファイル中のすべてのデータポイントから測定ＸＲＦプロファイルの最小値を減算する。あるいは、測定ＸＲＦプロファイルの左側縁部と右側縁部とを接続するラインが計算される。走査線に沿った各ｘ座標において、このラインの値は、測定ＸＲＦプロファイルの対応するデータポイントから減算される。さらに別の方法として、プロセッサは、測定ＸＲＦプロファイルの左側縁部および右側縁部における所定の数のデータポイントを検討する。プロセッサは、最小平方誤差基準にしたがって、これらのポイントに最良に適合するラインを計算する。走査線に沿った各ｘ座標において、このラインの値は、対応するデータポイントから減算される。さらに別の方法として、バックグラウンド減算パラメータは、ビーム強度断面の定義の一部として、ユーザによって指定されてもよい（上記のステップ７２を参照）。
【００５０】
ステップ７６の最後において、プロセッサ３４は、ビームモデルおよび模擬パッドプロファイルに基づいて、模擬ＸＲＦプロファイルを作成する。模擬パッドプロファイルが実際のパッドのプロファイルと正確に一致すれば、またビームモデルが励起ビームの実際の断面と正確に一致すれば、模擬ＸＲＦプロファイルは、上記のステップ７０で受け取った測定ＸＲＦプロファイルと一致する。模擬ＸＲＦプロファイルと測定ＸＲＦプロファイルとのいかなる不一致も、模擬パッドプロファイルと実際のパッドプロファイル、およびビームモデルと実際のビーム断面との差に起因する。この仮定は、後に続く最適化プロセスの基準になる。
【００５１】
実際のパッドのパラメータを概算するために、プロセッサは、最適化ステップ７８において、反復最適化プロセスを適用することによって、模擬パッドプロファイルおよびビームモデルのパラメータを最適化する。いかなる好適な最適化方法も、最適化ステップ７８を実施するのに使用されてよい。最適化プロセスの各反復において、プロセッサは次のステップを実行する。
【００５２】
○指定された性能指数（ＦＯＭ）関数にしたがって、模擬ＸＲＦプロファイルと測定ＸＲＦプロファイルとの差を概算する。（いくつかの代表的なＦＯＭ基準が下記に記載される。）
○概算された差に基づいて、模擬パッドプロファイルおよびビームモデルのパラメータを修正して、更新された模擬パッドプロファイルおよびビームモデルを作成する。
○更新された模擬パッドプロファイルと更新されたビームモデルとの間の畳み込みを計算して、更新された模擬ＸＲＦプロファイルを作成する。
使用されるＦＯＭ関数にしたがって、模擬ＸＲＦプロファイルと測定ＸＲＦプロファイルとの差が所定のしきい値よりも小さくなるまで、反復最適化プロセスを継続する。
発明者らは、標準的には、いくつかの代替ＦＯＭ関数を使用して、測定ＸＲＦプロファイルと模擬ＸＲＦプロファイルとの差を概算する。例えば、
○「統計値」または重み付けされたＦＯＭ関数は、次式で与えられる。
【００５３】
【数１】
2006292756.tif 000003
【００５４】
ここで、Ｉｅｘｐｉは、データポイントｉでの測定（実験）強度を表し、Ｉｓｉｍｉは、ポイントｉでの模擬強度を表し、また、Ｎは、２つのＸＲＦプロファイルそれぞれにおけるポイントの数を表す。
「ＳＱ」または平方誤差ＦＯＭ関数は、次式で与えられる。
【００５５】
【数２】
2006292756.tif 000004
【００５６】
「正規化されたＳＱ」または正規化された平方誤差ＦＯＭ関数は、次式で与えられる。
【００５７】
【数３】
2006292756.tif 000005
【００５８】
ここで、ｍａｘＩｉは、測定ＸＲＦプロファイル中のすべてのポイント全体での最大強度を表す。
【００５９】
一実施形態では、当該技術分野では既知のように、上述の反復最適化プロセスは遺伝的アルゴリズム（ＧＡ、進化アルゴリズムとも称される）を含む。遺伝的アルゴリズムは、模擬モデルを実験データに適合させるのに用いられることが多い。例えば、米国特許第６，１９２，１０３号は、Ｘ線散乱の実験データを模擬モデルに適合させるための広範囲の解を見つけるために進化アルゴリズムを使用することを記載しており、その開示を参考として本明細書に組み込む。
【００６０】
方法の説明に戻ると、ユーザは、標準的には、ＧＡの最適化を実行するために次のパラメータを指定する。
○最適化するパラメータ（ディッシング値、ティルティング値、パッド長さ、ｘ方向シフト、ビーム強度、およびビーム幅など）の一覧。例えば、ユーザは、パッドプロファイルパラメータのみを最適化し、適切なパラメータ群を選択することによって固定したビームモデルを保持してもよい。
○最適化された各パラメータの名目上の初期値。これらの値も、ステップ７２および７４でそれぞれ定義された、初期のビームモデルおよびパッドプロファイルの中で指定することができる。
○最適化された各パラメータに対する最小および最大許容値。
○ＦＯＭ関数の計算範囲を定義する開始値および終了値。
○ＧＡ最適化の反復（世代）の最大値。
○所望のＦＯＭ基準。
【００６１】
反復最適化プロセスが終了したとき、模擬ＸＲＦプロファイルは、測定ＸＲＦプロファイルに対する達成可能な最良の適合を含む。更新された模擬パッドプロファイルは、実際のパッドのパラメータを最良に概算する１組のパラメータを含む。
【００６２】
プロセッサは、パッド概算ステップ８０において、更新された模擬パッドプロファイルから概算パッドパラメータを抽出する。具体的には、更新された模擬パッドプロファイル中の「ディッシング」パラメータは、実際のパッドのディッシング値の概算値である。同様に、「ティルティング」パラメータは、実際のパッドのティルティング値の概算値である。方法は、プロセッサ３４で概算パッドパラメータを出力することで終了する。
【００６３】
概算パッドパラメータは、半導体メーカーがウエハ加工形成プロセスを改善する助けとなるように、ディッシングおよびティルティング効果の存在および重大度を識別するのに使用されてもよい。標準的には、ＸＲＦアナライザは、プロセス不良に関する有用な情報を提供するために、ウエハの異なる範囲内の多数のパッドおよび他のフィーチャを走査する。
【００６４】
上述の方法は導体パッドの測定を扱っているが、同じ方法を、侵食効果の影響を受けやすいウエハ表面上の他のあらゆるフィーチャに適用することができる。加えてまたは別の方法として、開示される方法は、試料中のフィーチャ、特に金属フィーチャにおける幾何学的分布または厚さ分布の変化によって特徴付けられる他のプロセス不良を検出し、定量化するのに使用されてもよい。そのような応用例は当業者には明白であろう。
【００６５】
システム２０は、図１ではスタンドアロン構成で示されているものの、このシステムの要素は、別の方法として、ＸＲＦ測定値がその性能をモニタするように意図されている、半導体加工形成設備に一体化されてもよい。そのような一体化からは、プロセス不良のオンライン検出、またはほぼオンラインの検出という利点が得られる。例えば、ＸＲＦ測定ステーションは、クラスタツールに一体化されてもよい。
【００６６】
ディッシング／ティルティング検出の実施例
上述したディッシング／ティルティングの検出方法をさらによく説明するために、次の実施例は、銅が充填されたパッド内のディッシングおよびティルティング効果を測定するために、開示される方法が使用される、標準的なシナリオを例証する。本実施例は、２０ミクロンのＦＷＨＭビーム幅を有するガウスビームを使用する。選択される初期のパッドプロファイルは、ディッシングまたはティルティングを有さない、単純な８０×８０ミクロンのパッドの形をとる。５０個のデータポイントが、模擬パッドプロファイルで使用される。簡便さのため、乗法的正規化およびバックグラウンド減算の適用は控える。使用される唯一の正規化関数は、測定ＸＲＦプロファイルと模擬ＸＲＦプロファイルとの間のｘ方向シフトの補正である。
【００６７】
図６Ａは、本発明の一実施形態にしたがった、測定ＸＲＦプロファイルを概略的に示すプロットである。１組のデータポイント９０は、図５の方法のステップ７０で受け取られるような、測定ＸＲＦプロファイルを示す。データポイント９０を検討すると、本実施例の走査されたパッドが、ディッシングまたはティルティング効果を受けているか否かを判断することは、困難である。データポイント９０は、従来のＸＲＦアナライザで達成可能な空間分解能の標準的な例を提供する。
【００６８】
図６Ｂは、本発明の一実施形態にしたがった、初期の模擬ＸＲＦプロファイルを概略的に示すプロットである。曲線９４は、図５の方法のステップ７４で指定されるような、模擬パッドプロファイルを示す。曲線９２は、ステップ７６で計算されるような、模擬ＸＲＦプロファイルを示す。上述したように、初期の模擬パッドプロファイルは、曲線９４の矩形形状で示されるように、ディッシングまたはティルティングをもたない。
【００６９】
図６Ｃは、本発明の一実施形態にしたがった、正規化されたＸＲＦプロファイルを概略的に示すプロットである。データポイント９０、ならびに曲線９２および９４は、それぞれ、図５の方法のステップ７６にしたがって正規化した後の、測定ＸＲＦプロファイル、模擬ＸＲＦプロファイル、および模擬パッドプロファイルを示す。データポイント９０と曲線９２との間に、測定ＸＲＦプロファイルと模擬ＸＲＦプロファイルとの差を示す、わずかな偏差を見ることができる。
【００７０】
正規化に続いて、図５の方法のステップ７８にしたがって、模擬プロファイルに対してＧＡの反復最適化プロセスが適用される。次の表は、最適化されるパラメータ、初期条件、各パラメータに対する許容範囲を列記する。
【００７１】
【表１】
2006292756.tif 000006
【００７２】
最高で５０世代が許容される。上述したＳＱ  ＦＯＭ関数が、開始値−１４０ミクロンおよび終了値１４０ミクロンで使用される。次の表は、ＧＡアルゴリズムが一つにまとめられた最良適合値の組を列記する。
【００７３】
【表２】
2006292756.tif 000007
【００７４】
図６Ｄは、本発明の一実施形態にしたがった、模擬ＸＲＦプロファイルの測定ＸＲＦプロファイルへのフィッティングを概略的に示すプロットである。データポイント９０は、元の測定ＸＲＦプロファイルを示す。曲線９６は、図５の方法のステップ７８にしたがってＧＡを最適化した後の、更新された模擬ＸＲＦプロファイルを示す。曲線１００は、対応する更新されたパッドプロファイルを示す。データポイント９０および曲線９６は実質的に一致しており、ＧＡの最適化が、模擬ＸＲＦプロファイルを測定プロファイルに一致させるのに確かに成功したことを示していることが分かる。
【００７５】
曲線１００は、パッドの概算された形状を表す。曲線１００に見られるように、パッドはディッシングおよびティルティングの両方を受けている。これらの２つの効果は、データポイント９０で示される測定ＸＲＦプロファイルでは、顕著ではなかった。データポイント９０と曲線１００との空間分解能の差は、開示される方法の有効性を証明している。
【００７６】
上述の実施形態は、特に半導体ウエハ処理に関連しているものの、本発明の原理は、蛍光Ｘ線を使用して、他のタイプの試料の表面上における材料分布の微細な細部を検出するために、同様に適用されてもよい。この文脈では、用語「分布」は、材料の適用におけるあらゆるかつすべての局所的なばらつきを指す。さらに、本発明の原理は、Ｘ線および他の形態の電離放射線を用いる材料解析の他の技術に適用されてもよい。
【００７７】
したがって、上述の実施形態は例示目的で挙げられたものであり、また本発明は、上記に特に示し、記載してきたものに限定されないことが理解されるであろう。より正確には、本発明の範囲は、上述の多様な特徴の組み合わせおよび下位の組み合わせの両方、ならびに、上述の記載を読むことによって当業者が想到するであろうと考えられ、かつ従来技術には開示されていない、組み合わせの変形および修正を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の一実施形態にしたがった、マイクロ蛍光Ｘ線測定のためのシステムの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態にしたがって検出されるディッシング効果を示す試料の概略図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態にしたがって検出されるディッシング効果を概略的に示す図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態にしたがって検出されるティルティング効果を概略的に示す図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態にしたがった、Ｘ線励起ビームの強度断面を概略的に示すプロットである。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態にしたがってＸＲＦで測定される、パッド中の銅の分布を概略的に示すプロットである。
【図４Ｃ】本発明の一実施形態にしたがった、パッドの測定ＸＲＦプロファイルを概略的に示すプロットである。
【図５】本発明の一実施形態にしたがった、ディッシングおよびティルティングを測定する方法を概略的に示すフローチャートである。
【図６Ａ】本発明の一実施形態にしたがった、測定ＸＲＦプロファイルを概略的に示すプロットである。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態にしたがった、模擬ＸＲＦプロファイルを概略的に示すプロットである。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態にしたがった、正規化したＸＲＦプロファイルを概略的に示すプロットである。
【図６Ｄ】本発明の一実施形態にしたがった、模擬ＸＲＦプロファイルの測定ＸＲＦプロファイルへのフィッティングを概略的に示すプロットである。
【図１】
2006292756.tif 000008
【図２】
2006292756.tif 000009
【図３Ａ】
2006292756.tif 000010
【図３Ｂ】
2006292756.tif 000011
【図４Ａ】
2006292756.tif 000012
【図４Ｂ】
2006292756.tif 000013
【図４Ｃ】
2006292756.tif 000014
【図５】
2006292756.tif 000015
【図６Ａ】
2006292756.tif 000016
【図６Ｂ】
2006292756.tif 000017
【図６Ｃ】
2006292756.tif 000018
【図６Ｄ】
2006292756.tif 000019
【外国語明細書】
2006292756.tif 000020
2006292756.tif 000021
2006292756.tif 000022
2006292756.tif 000023
2006292756.tif 000024
2006292756.tif 000025
2006292756.tif 000026
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2006292756.tif 000028
2006292756.tif 000029
2006292756.tif 000030
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