(57)【要約】【課題】  サンプルの迅速なＸＲＲ及びＸＲＤに基づいた分析用の装置及び方法を提供する。【解決手段】  サンプルの分析用の装置は、サンプルの表面に向かってＸ線の収束ビームを案内するべく適合された放射源を含んでいる。同時に、サンプルから散乱したＸ線を、仰角の範囲にわたって、仰角の関数として検知し、この散乱したＸ線に応答して出力信号を生成するべく、少なくとも１つの検出器アレイが構成されている。この検出器アレイは、グレージング角で、サンプルの表面から反射したＸ線を検出器アレイが検知する第１の構造と、サンプルのＢｒａｇｇ角の近傍において、表面から回折したＸ線を検出器アレイが検知する第２の構造と、を具備している。そして、信号プロセッサが、サンプルの表面層の特性を判定するべく、この出力信号を処理する。【選択図】      図１
2006091017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面層を具備するサンプルの分析用の装置であって、
Ｘ線の収束ビームを前記サンプルの表面に向かって案内するべく適合された放射源と、
前記サンプルから散乱した前記Ｘ線を仰角の一範囲にわたって、仰角の関数として同時に検知し、前記散乱したＸ線に応答して出力信号を生成するべく構成された少なくとも１つの検出器アレイであって、グレージング角で、前記サンプルの表面から反射したＸ線を前記検出器アレイが検知する第１の構造と、前記サンプルのＢｒａｇｇ角の近傍において、前記表面から回折した前記Ｘ線を前記検出器アレイが検知する第２の構造と、を具備する少なくとも１つの検出器アレイと、
前記サンプルの前記表面層の特性を判定するために、前記第１及び第２の構造において生成された前記出力信号を受信して処理するべく接続された信号プロセッサと、
を含む分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、前記第１の構造と前記第２の構造の間において、前記放射源と前記検出器アレイを移動させるべく結合されたモーションアセンブリを含む分析装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、前記放射源は、第１及び第２の放射源を有し、これらは、前記第１及び第２の構造において前記Ｘ線を前記サンプルに向かって案内するべくそれぞれ配置されており、前記少なくとも１つの検出器アレイは、第１及び第２の検出器アレイを有し、これらは、前記第１及び第２の構造において前記散乱したＸ線を受光するべくそれぞれ配置されている分析装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、前記放射源は、湾曲結晶モノクロメーターを含む分析装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、前記少なくとも１つの検出器アレイは、複数の検出器要素を有しており、これらは、前記サンプルから散乱した前記Ｘ線を受光するべく構成されており、前記仰角の範囲は、少なくとも２°の仰角を含む分析装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、前記第１の構造において前記サンプルから反射した前記Ｘ線は、前記仰角の関数としての強度の振動性の変動によって特徴付けられており、前記プロセッサは、前記表面層の特性を判定するために、前記振動性の変動を分析するべく適合されている分析装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置において、前記信号プロセッサによって判定される前記特性は、前記表面層の密度、厚さ、及び表面粗度の中の少なくとも１つを含む分析装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、前記第２の構造において前記表面から回折した前記Ｘ線は、第１及び第２回折ピークによって特徴付けられており、前記プロセッサは、前記表面層の特性を判定するために、前記ピークの関係を分析するべく適合されている分析装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置において、前記信号プロセッサによって判定される前記特性は、前記表面層の組成を含む分析装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置において、前記サンプルは半導体ウエハを含み、前記信号プロセッサは、前記ウエハ上に形成された薄膜層の品質を判定するために前記出力信号を分析するベく適合されている分析装置。
【請求項１１】
微小電子デバイスを製造するためのクラスタツールであって、
半導体ウエハの表面上に薄膜層を形成するべく適合された堆積ステーションと、
検査ステーションであって、
前記ウエハの表面に向かってＸ線の収束ビームを案内するべく適合された放射源と、
前記ウエハから散乱した前記Ｘ線を、仰角の一範囲にわたって仰角の関数として同時に検知し、散乱した前記Ｘ線に応答して出力信号を生成するべく構成された検出器アレイであって、グレージング角で、前記ウエハの表面から反射した前記Ｘ線を前記検出器アレイが検知する第１の構造と、前記ウエハのＢｒａｇｇ角の近傍において、前記ウエハから回折した前記Ｘ線を前記検出器アレイが検知する第２の構造と、を具備する検出器アレイと、
前記ウエハの前記表面層の特性を判定するために、前記第１及び第２の構造において生成された前記出力信号を受信して処理するべく接続された信号プロセッサと、を含む検査ステーションと、
を含むクラスタツール。
【請求項１２】
微小電子デバイスを製造する装置であって、
半導体ウエハを受け入れるべく適合された製造チャンバと、
前記チャンバ内において、前記半導体ウエハの表面上に薄膜層を堆積するべく適合された堆積装置と、
前記チャンバ内の前記ウエハの表面に向かってＸ線の収束ビームを案内するべく適合された放射源と、
前記チャンバ内において前記ウエハから散乱した前記Ｘ線を、仰角の一範囲にわたって仰角の関数として同時に検知し、前記散乱したＸ線に応答して出力信号を生成するべく構成された検出器アレイであって、グレージング角で、前記ウエハの表面から反射した前記Ｘ線を前記検出器アレイが検知する第１の構造と、前記ウエハのＢｒａｇｇ角の近傍において、前記ウエハから回折した前記Ｘ線を前記検出器アレイが検知する第２の構造と、を具備する検出器アレイと、
前記ウエハの前記表面層の特性を判定するために、前記第１及び第２の構造において生成された前記出力信号を受信して処理するべく接続された信号プロセッサと、
を含む分析装置。
【請求項１３】
表面層を具備するサンプルの分析用の方法であって、
グレージング角で、前記サンプルの表面に向かってＸ線の収束ビームを案内することにより、前記サンプルのＸ線反射率（Ｘ−Ｒａｙ  Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ：ＸＲＲ）スペクトルを取得し、少なくとも１つの検出器アレイを使用して前記サンプルから散乱した前記Ｘ線を、仰角の一範囲にわたって仰角の関数として同時に検出する段階と、
前記サンプルのＢｒａｇｇ角の近傍において、前記サンプルの前記表面に向かってＸ線の収束ビームを案内することにより、前記サンプルのＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルを取得し、前記少なくとも１つの検出器アレイを使用して、前記サンプルから散乱した前記Ｘ線を、仰角の第２の範囲にわたって、仰角の関数として同時に検出する段階と、
前記サンプルの前記表面層の特性を判定するために、前記ＸＲＲ及びＸＲＤスペクトルを処理する段階と、
を含む分析方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、前記少なくとも１つの検出器アレイは、単一の検出器アレイを有しており、前記第１の範囲の仰角内に散乱した前記Ｘ線を前記検出器アレイが受光する第１の構造と、前記第２の範囲の仰角内に散乱した前記Ｘ線を前記検出器アレイが受光する第２の構造間で、前記検出器アレイを移動させる段階を含む分析方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法において、前記少なくとも１つの検出器アレイは、第１及び第２の検出器アレイを有しており、これらは、前記第１及び第２の範囲の仰角において、前記散乱したＸ線を受光するべくそれぞれ配置されている分析方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法において、前記収束ビームを案内する段階は、湾曲結晶モノクロメーターを使用して前記Ｘ線を合焦する段階を含む分析方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法において、前記少なくとも１つの検出器アレイは、複数の検出器要素を有しており、これらは、前記サンプルから散乱した前記Ｘ線を受光するべく構成されており、前記仰角の範囲は、少なくとも２°の仰角を含む分析方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法において、前記ＸＲＲスペクトルは、前記仰角の関数としての強度の振動性の変動によって特徴付けられており、前記スペクトルを処理する段階は、前記表面層の特性を判定するべく、前記振動性の変動を分析する段階を含む分析方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、前記表面層の前記特性は、前記表面層の密度、厚さ、及び表面粗度の中の少なくとも１つを含む分析方法。
【請求項２０】
請求項１３に記載の方法において、前記ＸＲＤスペクトルは、第１及び第２の回折ピークによって特徴付けられており、前記スペクトルを処理する段階は、前記表面層の特性を判定するべく、前記ピークの関係を分析する段階を含む分析方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、前記表面層の前記特性は、前記表面層の組成を含む分析方法。
【請求項２２】
請求項１３に記載の方法において、前記サンプルは、半導体ウエハを有しており、前記スペクトルを処理する段階は、前記ウエハ上に形成された薄膜層の品質を判定するべく、前記出力信号を分析する段階を含む分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、分析装置に関し、更に詳しくは、Ｘ線を使用する薄膜分析用の装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線反射率計測（Ｘ−Ｒａｙ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：ＸＲＲ）は、基板上に堆積した薄膜層の厚さ、密度、及び表面品質を計測するための周知の技法である。この種の反射率計は、通常、サンプル材料の全外部反射角の近傍において、かすめ（グレージング）入射で（即ち、サンプルの表面に対して小さな角度で）Ｘ線ビームによってサンプルを照射することにより、動作する。そして、サンプルから反射したＸ線の強度を角度の関数として計測することにより、干渉縞のパターンを取得し、これを分析することにより、この縞パターンを生成する原因である薄膜層の特性を判定することができる。
【０００３】
ＸＲＲデータを分析して薄膜の厚さを判定する方法については、例えば、Ｋｏｍｉｙａ他に付与された特許文献１に記述されており、本引用により、この開示内容は本明細書に包含される。即ち、角度の関数としてＸ線反射率を計測した後に、この縞スペクトルに対して平均反射率曲線をフィッティングする。この平均曲線は、フィルムの減衰、背景、及び表面粗度を表す式に基づいている。次いで、このフィッティングされた平均反射率曲線を使用して縞スペクトルの振動成分を抽出する。そして、この成分をフーリエ変換することにより、薄膜の厚さを検出するのである。
【０００４】
Ｋｏｐｐｅｌに付与された特許文献２（本引用により、この開示内容は本明細書に包含される）は、反射率計測の計測値に基づいたＸ線厚さゲージについて記述している。即ち、湾曲反射Ｘ線モノクロメーターを使用してサンプルの表面上にＸ線を合焦する。そして、表面から反射したＸ線をフォトダイオード検出器アレイなどの位置敏感型検出器によって検知し、反射角の関数として強度信号を生成する。次いで、この角度依存信号を分析することにより、厚さ、密度、及び表面粗度を含むサンプル上の薄膜層の構造の特性を判定するのである。
【０００５】
Ｂａｒｔｏｎ他に付与された特許文献３（本引用により、この開示内容は本明細書に包含される）も、湾曲結晶モノクロメーターに基づいたＸ線スペクトロメーターについて記述している。このモノクロメーターは、テーパーを有する対数螺旋形状を具備しており、これにより、従来技術によるモノクロメーターと比べて、精細な焦点がサンプル表面上に実現するとしている。サンプル表面から反射又は回折したＸ線を位置敏感型検出器によって受光している。
【０００６】
Ｙｏｋｈｉｎ他に付与された特許文献４及び特許文献５（本引用により、この開示内容は本明細書に包含される）は、サンプル上に入射するＸ線を遮断するべく調節配置可能な動的シャッタを含むＸ線反射率計測システムについて記述している。このシステムのその他の特徴と共に、このシャッタにより、高ダイナミックレンジを有するＸＲＲ縞パターンの検出が可能である。又、これらの特許明細書は、密度、厚さ、及び表面粗度を含む薄膜の特性を判定するためのＸＲＲ縞パターンの改善された分析方法についても開示している。即ち、このシステムは、高ダイナミックレンジにより、上部の薄膜層のみならず、サンプル表面上の１つ又は複数の下部層についても、これらの特性を正確に判定することができる。
【０００７】
又、ＸＲＲは、例えば、Ｈａｙａｓｈｉ他による特許文献６（本引用により、この開示内容は本明細書に包含される）に記述されているように、半導体ウエハ上の製造中の薄膜層を検査するべく、堆積炉内において原位置において使用することも可能である。この炉には、その側壁にＸ線入射及び抽出ウィンドウが提供されている。そして、上部に薄膜が堆積された基板を入射ウィンドウを通じて照射し、基板から反射したＸ線をＸ線抽出ウィンドウを通じて検知する。
【０００８】
一方、Ｘ線回折計測（Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙ：ＸＲＤ）は、物質の結晶構造を研究するための周知の技法である。ＸＲＤにおいては、単色のＸ線ビームによってサンプルを照射し、回折ピークの場所と強度を計測する。固有の散乱角及び散乱強度は、検討対象のサンプルの格子面と、それらの面を占めている原子によって左右される。そして、所与の波長λと格子面間隔ｄの場合に、回折ピークは、Ｘ線ビームがｎλ＝２ｄｓｉｎθというＢｒａｇｇ条件を満足する角度θで格子面に入射した際に観察される（ここで、ｎは、散乱次数である）。このＢｒａｇｇ条件を満足する角度θをＢｒａｇｇ角と呼んでいる。応力、固溶体、又はその他の影響に起因する格子面の歪により、ＸＲＤスペクトルにおいて観察可能な変化がもたらされる。
【０００９】
従来、ＸＲＤは、半導体ウエハ上に製造した結晶層の特性を計測するために主に使用されている。例えば、Ｂｏｗｅｎ他は、非特許文献１において、高分解能のＸＲＤを使用してＳｉＧｅ構造内のゲルマニウムの濃度を計測する方法について記述している（本引用により、この内容は本明細書に包含される）。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５，７４０，２２６号明細書
【特許文献２】米国特許第５，６１９，５４８号明細書
【特許文献３】米国特許第５，９２３，７２０号明細書
【特許文献４】米国特許第６，５１２，８１４号明細書
【特許文献５】米国特許第６，６３９，９６８号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０００／００４３６６８Ａ１号明細書
【非特許文献１】Ｂｏｗｅｎ他著、「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  ＵＬＳＩ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  ２０００  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  ２００１）の「Ｘ−Ｒａｙ  ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  ｂｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、サンプルの迅速なＸＲＲ及びＸＲＤに基づいた分析用の装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施例は、サンプルの迅速なＸＲＲ及びＸＲＤに基づいた分析用の装置及び方法を提供する。放射源が、半導体ウエハなどのサンプルの表面に向かってＸ線の収束ビームを案内する。同時に、検出器アレイが、サンプルから散乱するＸ線を、仰角の一範囲にわたって、仰角の関数として検知する。この検出器アレイは、ＸＲＲ及びＸＲＤ構造を具備している。そして、ＸＲＲ構造においては、放射源及び検出器アレイは、グレージング角で、サンプルの表面から反射されたＸ線をアレイが検知するように配置されている。一方、ＸＲＤ構造においては、放射源と検出器アレイは、サンプルのＢｒａｇｇ角の近傍において、表面から回折したＸ線をアレイが検知するように配置されている。尚、このＸＲＲ及びＸＲＤ構造の間において、放射源と検出器アレイをシフトさせるべく、モーションアセンブリを提供可能である。
【００１３】
信号プロセッサが、サンプルの１つ又は複数の表面層の特性を判定するべく、検出器アレイによって生成された出力信号を受信して処理する。これらの特性には、例えば、層の厚さ、密度、組成、及び表面粗度が含まれている。ＸＲＲ及びＸＲＤ計測の組み合わせは、半導体ウエハ上での集積回路の製造プロセスにおいて形成される結晶性薄膜層などの結晶表面層の特性に関する完全且つ正確な情報を得るのに特に有用である。本発明の実施例によって提供される新しいシステム構造によれば、当技術分野における既存のＸＲＲシステム及びＸＲＤシステムによっては不可能な方式で、ＸＲＲ及びＸＲＤスペクトルの両方を高スループットで取得すると共に、その精度について照合確認することが可能である。
【００１４】
従って、本発明の実施例によれば、表面層を具備するサンプルの分析用の装置が提供され、この装置は、Ｘ線の収束ビームをサンプルの表面に向かって案内するべく適合された放射源と；同時に、サンプルから散乱したＸ線を、仰角の一範囲にわたって、仰角の関数として検知し、この散乱したＸ線に応答して出力信号を生成するべく構成された少なくとも１つの検出器アレイであって、グレージング角で、サンプルの表面から反射したＸ線を検出器アレイが検知する第１の構造と、サンプルのＢｒａｇｇ角の近傍において、表面から回折したＸ線を検出器アレイが検知する第２の構造と、を具備する少なくとも１つの検出器アレイと；サンプルの表面層の特性を判定するために、第１及び第２の構造において生成された出力信号を受信して処理するべく接続された信号プロセッサと；を含んでいる。
【００１５】
いくつかの実施例においては、本装置は、第１の構造と第２の構造の間において、放射源と検出器アレイを移動させるべく結合されたモーションアセンブリを含んでいる。
【００１６】
その他の実施例においては、放射源は、第１及び第２放射源を含んでおり、これらは、第１及び第２の構造においてサンプルに向かってＸ線を案内するべくそれぞれ配置されており、少なくとも１つの検出器アレイは、第１及び第２の構造において散乱したＸ線を受光するべくそれぞれ配置された第１及び第２検出器アレイを含んでいる。
【００１７】
通常、放射源は、湾曲結晶モノクロメーターを含んでいる。
【００１８】
開示対象の実施例においては、少なくとも１つの検出器アレイは、複数の検出器要素を含んでおり、これらは、サンプルから散乱したＸ線を受光するべく構成されており、仰角範囲は、少なくとも２°の仰角を含んでいる。
【００１９】
いくつかの実施例においては、第１の構造においてサンプルから反射したＸ線は、仰角の関数としての強度の振動性の変動によって特徴付けられており、プロセッサは、表面層の特性を判定するために、この振動性の変動を分析するべく適合されている。通常、信号プロセッサによって判定される特性には、表面層の密度、厚さ、及び表面粗度の中の少なくとも１つが含まれている。
【００２０】
これに加えて（又は、この代わりに）、第２の構造において表面から回折したＸ線は、第１及び第２回折ピークによって特徴付けられており、プロセッサは、表面層の特性を判定するために、これらのピークの関係を分析するべく適合されている。通常、信号プロセッサによって判定される特性には、表面層の組成が含まれている。
【００２１】
開示対象の実施例においては、サンプルは、半導体ウエハを含んでおり、信号プロセッサは、このウエハ上に形成された薄膜層の品質を判定するために、出力信号を分析するべく適合されている。
【００２２】
又、本発明の実施例によれば、微小電子デバイスを製造するためのクラスタツールも提供され、このツールは、半導体ウエハの表面上に薄膜層を形成するべく適合された堆積ステーションと；ウエハの表面に向かってＸ線の収束ビームを案内するべく適合された放射源と、同時に、ウエハから散乱したＸ線を、仰角の一範囲にわたって、仰角の関数として検知し、この散乱したＸ線に応答して出力信号を生成するべく構成された検出器アレイであって、グレージング角で、ウエハの表面から反射したＸ線を検出器アレイが検知する第１の構造と、ウエハのＢｒａｇｇ角の近傍において、ウエハから回折したＸ線を検出器アレイが検知する第２の構造と、を具備する検出器アレイと、ウエハの表面層の特性を判定するために、第１及び第２の構造において生成された出力信号を受信して処理するべく接続された信号プロセッサと、を含む検査ステーションと；を含んでいる。
【００２３】
本発明の実施例によれば、微小電子デバイスを製造する装置が更に提供され、この装置は、半導体ウエハを受け入れるべく適合された製造チャンバと；このチャンバ内において半導体ウエハの表面上に薄膜層を堆積するべく適合された堆積装置と；チャンバ内のウエハの表面に向かってＸ線の収束ビームを案内するべく適合された放射源と；同時に、チャンバ内においてウエハから散乱したＸ線を、仰角の一範囲にわたって、仰角の関数として検知し、散乱したＸ線に応答して出力信号を生成するべく構成された検出器アレイであって、グレージング角で、ウエハの表面から反射したＸ線を検出器アレイが検知する第１の構造と、ウエハのＢｒａｇｇ角の近傍において、ウエハから回折したＸ線を検出器アレイが検知する第２の構造と、を具備する検出器アレイと；ウエハの表面層の特性を判定するために、第１及び第２の構造において生成された出力信号を受信して処理するべく接続された信号プロセッサと；を含んでいる。
【００２４】
更に、本発明の実施例によれば、表面層を具備するサンプルの分析用の方法が提供され、この方法は、グレージング角で、サンプルの表面に向かってＸ線の収束ビームを案内することにより、サンプルのＸ線反射率（Ｘ−Ｒａｙ  Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ：ＸＲＲ）スペクトルを取得し、同時に、少なくとも１つの検出器アレイを使用して、サンプルから散乱したＸ線を、仰角の第１の範囲にわたって、仰角の関数として検出する段階と；サンプルのＢｒａｇｇ角の近傍において、サンプルの表面に向かってＸ線の収束ビームを案内することにより、サンプルのＸ線回折（ＸＲＤ）スペクトルを取得し、同時に、少なくとも１つの検出器アレイを使用して、サンプルから散乱したＸ線を、仰角の第２の範囲にわたって、仰角の関数として検出する段階と；サンプルの表面層の特性を判定するべく、ＸＲＲとＸＲＤスペクトルを処理する段階と；を含んでいる。
【００２５】
本発明は、添付図面との関連で、本発明の実施例に関する以下の詳細な説明を参照することにより、更に十分に理解することができよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、図１を参照すれば、これは、本発明の実施例によるＸ線反射率計測（ＸＲＲ）及びＸ線回折計側（ＸＲＤ）用のシステム２０の概略側面図である。サンプル２２が、モーションステージ２４上に取付けられており、この結果、サンプルの位置と向きの正確な調節が可能になっている。Ｘ線源２６（これは、通常、単色化オプティクス３０を有するＸ線管である）が、サンプル２２上の小さな領域３２を照射する。そして、このサンプル２２から散乱したＸ線を検出器アセンブリ３８によって収集する（このアセンブリは、ＣＣＤアレイなどの検出器アレイ４０から構成されている）。尚、図示を容易にするべく、図には、相対的に少ない数の検出器要素を有する単一列の検出器要素しか示されていないが、通常、アレイ４０は、更に多くの数の要素を含み、線形アレイ又はマトリックス（２次元）アレイとして構成されている。尚、この検出器アセンブリ３８及びアレイ４０の更なる態様については、前述の米国特許第６，５１２，８１４号明細書に記述されている。
【００２７】
サンプル２２から反射したＸ線の光子束の分布４８を、所与のエネルギーにおいて（又は、エネルギーの範囲にわたって）角度の関数として判定するべく、アセンブリ３８の出力を信号プロセッサ４６が受信して分析する。通常、サンプル２２は、領域３２に薄膜などの１つ又は複数の薄い表面層を具備しており、この結果、仰角の関数としての分布４８は、表面層及び層間のインターフェイスに起因する干渉及び／又は回折の特徴を示す構造を有している。プロセッサ４６は、後述する分析法を使用して、層の厚さ、密度、組成、及び表面品質などのサンプルの表面層の１つ又は複数のものの特性を判定するべく、この角分布の特性を分析する。
【００２８】
この図１に示されている実施例においては、Ｘ線源２６及び検出器アセンブリ３８は、ＸＲＲ構造とＸＲＤ構造という２つの動作構造を具備している。図中には、ＸＲＲ構造は、実線で放射源２６及び検出器アレイ３８を描くことにより、表されており、ＸＲＤ構造は、破線で放射源及び検出器アセンブリを描くことにより、表されている。ＸＲＲ構造においては、放射源２６は、通常、約０°〜４．５°の入射角度の範囲において、グレージング角で、収束ビーム３４によって領域３２を照射する（但し、これよりも大きな又は小さな範囲も使用可能である）。そして、この構成においては、アセンブリ３８は、約０°〜少なくとも２°（通常は、最大３°）の間の仰角（φ）の関数として、垂直方向の角度範囲にわたって、反射したＸ線の発散ビーム３６を収集する。この範囲には、サンプルの全外部反射の臨界角ΦCの上下両方の角度が含まれている（尚、図面に示されている角度範囲は、図面をわかりやすくするべく、誇張されており、このＸＲＲ構造におけるサンプル２２の面上の放射源２６及び検出器アセンブリ３８の仰角も誇張されている）。
【００２９】
一方、ＸＲＤ構造においては、放射源２６及び検出器アセンブリ３８の両方が、サンプル２２のＢｒａｇｇ角近傍の高角度にシフトされる。即ち、この構造においては、放射源２６は、Ｂｒａｇｇ角の近傍において、収束ビーム５０によって領域３２を照射し、検出器アセンブリ３８は、Ｂｒａｇｇ角近傍の角度範囲にわたって、発散ビーム５２を受光する。この例においては、表面に対するビーム５０及び５２によって定義される入射及び出射角の両方がＢｒａｇｇ角と等しくなるように、回折パターンを生成する格子面が、サンプル２２の表面に対して略平行であると仮定されている。尚、この仮定は、シリコンウエハなどの半導体基板やこのような基板上に成長した結晶性薄膜層に関して、多くの場合に、当て嵌まる。或いは、この代わりに、サンプル２２の表面に平行ではない格子面からの回折を計測するべく、放射源２６及び検出器アセンブリ３８を異なる入射及び出射角に配置することも可能である。
【００３０】
モーションアセンブリ５３が、ＸＲＲ及びＸＲＤ構造の間において、放射源２６及び検出器アセンブリ３８をシフトさせる。この図１に示されている例においては、モーションアセンブリは、湾曲したトラック５４、５６を有しており、これに沿って、照射源２６及びアセンブリ３８が、それぞれ、並進運動し、領域３２から一定の距離に照射源及び検出器アセンブリが維持されている。尚、この目的に適したその他のタイプのモーションアセンブリについても、当業者には明らかであろう。
【００３１】
或いは、この代わりに、ＸＲＲ及びＸＲＤ計測用に、２つの別個のＸ線源及び／又は２つの別個の検出器アセンブリを使用することも可能である。この場合には、モーションアセンブリは、不要である。又、この代わりに、単一のＸ線管をＸＲＲ及びＸＲＤ位置の間においてシフトさせると共に、それぞれの位置に、独自の静止オプティクスを具備することも可能である。
【００３２】
次いで、放射源２６のコンポーネントを再度参照すれば、Ｘ線管２８は、通常、サンプル２２の表面上における正確な合焦を可能にするべく、小さな放射領域を具備している。例えば、Ｘ線管２８は、カリフォルニア州スコッツバレー（Ｓｃｏｔｔｓ  Ｖａｌｌｅｙ，  Ｃａｒｉｆｏｒｎｉａ）に所在するＯｘｆｏｒｄ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社が製造するＸＴＦ５０１１型Ｘ線管から構成可能である。そして、このシステム２０内における反射率計測及び散乱計測用の通常のＸ線エネルギーは、約８．０５ｋｅＶ（ＣｕＫａｌ）である。或いは、この代わりに、５．４ｋｅＶ（ＣｒＫａｌ）などのその他のエネルギーを使用することも可能である。又、このシステム２０において使用可能ないくつかの異なるタイプの単色化オプティクス３０については、米国特許第６、３８１、３０３号明細書に記述されており、この開示内容は、本引用により、本明細書に包含される。例えば、このオプティクスは、ニューヨーク州アルバニーに所在するＸＯＳ  Ｉｎｃ．（ＸＯＳ  Ｉｎｃ．，  ｏｆ  Ａｌｂａｎｙ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）が製造するＤｏｕｂｌｙ−Ｂｅｎｔ  Ｆｏｃｕｓｉｎｇ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｐｔｉｃなどの湾曲結晶モノクロメーターから構成可能である。又、その他の適したオプティクスについては、前述の米国特許第５，６１９，５４８号及び第５，９２３，７２０号明細書に記述されている。二重湾曲合焦結晶によれば、ビーム３４及び５０が、領域３２内の一点に略合焦するべく、水平及び垂直の両方向において収束する。或いは、この代わりに、ビームがサンプル表面上のラインに収束するように、円筒形のオプティクスを使用してビーム３４及び５０を合焦することも可能である。使用可能な更なる光学的構造についても、当業者には明らかであろう。
【００３３】
このＸＲＲ構造におけるシステム２０は、前述の米国特許第６、５１２、８１４号明細書に記述されているＸＲＲシステムに類似しているが、本明細書に記述されている機能と能力が付加されている。即ち、このシステムにおいては、動的なナイフエッジ４４及びシャッタ４２を使用することにより、垂直（即ち、サンプル２２の面に対して垂直）方向におけるＸ線入射ビーム３４の角度範囲を制限することができる。要すれば、０°に近い低角度の反射を最適に検出するには、シャッタ４２を入射ビーム３４の範囲の外に引っ込めると共に、ナイフエッジ４４を領域３２の上方に配置して降下させることにより、ビームの垂直方向の有効断面を低減する。この結果、領域３２上に入射するＸ線スポットの横方向寸法が低減される。一方、ＸＲＲ構造内において、弱い高角度の反射を効果的に検出するには、ナイフエッジ４４をビーム３４から引っ込めると共に、ビームの低角度の部分をカットオフするべくシャッタ４２を配置する（或いは、この代わりに、反射したビーム３６の低角度の部分をカットオフするべくシャッタを配置することも可能である）。
【００３４】
図２は、本発明の実施例によるＸＲＲ構造においてシステム２０が取得した鏡面反射スペクトル６０を示す概略プロットである。このスペクトルは、ビーム３６内の反射したＸ線の仰角φに対してプロットされている。それぞれのデータポイントは、アレイ４０の対応する要素（即ち、ピクセル）が受光するカウントの合計に対応している。そして、前述の米国特許第６，５１２、８１４号明細書に記述されている技法を使用することにより、スペクトルの信号／雑音比を向上させている。このスペクトル６０は、０°の近傍から２．５°まで延長する明確な縞パターンを示している。そして、このスペクトルは、臨界角ΦCにおいて、特徴的な肩部６２を具備しており、角度が増大するに伴って振動パターンを描いて降下している。このスペクトル６０の肩部の場所を分析することにより、臨界角と、従って、サンプル２２の表面層の密度を判定することが可能であり、振動の周期と振幅は、サンプルの表面層の厚さと表面粗度を表している。スペクトル６０にフィッティングした減衰曲線６４によって示されている低次の縞と高次の縞の相対的な強度は、一義的には、サンプルの外側表面の粗度によって決定され、二義的には、サンプルの薄膜層間のインターフェイスの粗度によって決定される。
【００３５】
図３は、本発明の実施例によるＸＲＤ構造においてシステム２０が取得可能な回折スペクトル７０を示す概略プロットである。この場合に、このスペクトルは、ビーム５２内の回折したＸ線の仰角φに対してプロットされている。このスペクトル７０は、Ｓｉウエハの表面上に形成された厚さが約１００ｎｍのＳｉＧｅの薄い結晶層から取得されたものである。このスペクトルは、約３４．５°において、鋭い第１ピーク７２を有しており、これは、８．０５ｋｅＶ（ＣｕＫａｌ）におけるＳｉのＢｒａｇｇ角である。又、Ｇｅ原子によるＳｉ結晶構造の変形に起因する第２ピーク７４も観測することができる。このピーク７２と７４の間の変位Δφは、ＳｉＧｅ層内におけるＧｅの濃度を表している。そして、十分に高い信号／雑音比で、このスペクトル７０を取得した場合には、このスペクトルのその他の特徴を解明し、数学モデルにフィッティングすることにより、その厚さやＧｅ濃度の傾きなどのＳｉＧｅ層のその他のパラメータを層内の深さの関数として抽出することができる。尚、この種の分析において使用可能な方法については、前述のＢｏｗｅｎ他による文献と、「Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｘ−ｒａｙ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔｈｉｎ  Ｌａｙｅｒｓ」（Ｕｃｋｌａｙ、２００３年５月２１〜２３日）のＵｌｙａｎｅｎｋｏｖによる「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｈｉｇｈ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ」という名称のプレゼンテーション資料に記述されている（本引用により、この内容は本明細書に包含される）。
【００３６】
又、前述のように、ＸＲＲスペクトル６０を使用して、ＳｉＧｅ層の厚さを判定可能であり、肩部６２の位置によって示される密度を使用して、Ｇｅの濃度を推定することも可能である。そして、これらのＸＲＲスペクトルのパラメータを、ＸＲＤスペクトル７０から導出されたパラメータと比較することにより、計測の精度を検証し改善することができる。
【００３７】
又、別の模範的なアプリケーションとして、集積回路の製造過程において半導体基板上に形成される銅層内の粒度の分析に、このシステム２０によって取得されたＸＲＲ及びＸＲＤスペクトルを使用可能である。この粒度特性は、電子移動特性に影響を及ぼすため、重要である。
【００３８】
図４は、本発明の実施例による半導体装置製造において使用するクラスタツール８０の概略平面図である。このクラスタツールは、半導体ウエハ９０上に薄膜を堆積する堆積ステーション８２、検査ステーション８４、及びクリーニングステーションなどの当技術分野において周知のその他のステーション８６、８８を含む複数のステーションを有している。検査ステーション８４は、前述のシステム２０と同様の方式で、構築され、動作する。ロボット８８は、システムコントローラ９２の制御下において、ステーション８２、８４、８６、．．．間においてウエハ９０を搬送する。そして、このツール８０の動作は、コントローラ９２に接続されたワークステーション９４を使用することにより、オペレータが制御及び監視可能である。
【００３９】
検査ステーション８４を使用し、ＸＲＲ及びＸＲＤによるウエハのＸ線検査を実行する。このような検査は、通常、製造プロセスにおいて選択された段階が、ツール８０内の堆積ステーション８２やその他のステーションによって実行される前後において、実行される。模範的な実施例においては、堆積ステーション８２を使用することより、ウエハ９０上に結晶性の薄膜を生成し、検査ステーション８４によって、ＸＲＲ及びＸＲＤを適用し、前述のように、この薄膜の厚さ、密度、及び組成を評価する。或いは、この代わりに、プロセスのいくつかの段階において、検査ステーション８４によって、ＸＲＲ及びＸＲＤのいずれか１つのみを適用することも可能である。このステーション８４を使用することにより、コントローラ９２（並びに、多くの場合に、ワークステーション９４）を使用して、プロセスの逸脱の早期検出と製造ウエハのプロセスパラメータの簡便な調節及び評価を実行可能である。
【００４０】
図５は、本発明の別の実施例による半導体ウエハ製造及び原位置における検査用のシステム１００の概略側面図である。このシステム１００は、当技術分野において周知のように、ウエハ９０上に薄膜を生成する堆積装置１０４を含む真空チャンバ１０２を有している。そして、このチャンバ１０２内のモーションステージ２４上には、ウエハが取り付けられている。このチャンバは、通常、Ｘ線ウィンドウ１０６を有しており、これは、前述の米国特許出願公開第２００１／００４３５５８Ａ１号明細書に記述されているタイプのものであってよい。Ｘ線源２６が、前述の方式により、ＸＲＲ又はＸＲＤ構造のいずれかにおいて、ウィンドウ１０６の１つを介して、ウエハ９０上の領域３２を照射する。尚、この図５においては、わかりやすくするべく、図１に示されている要素のいくつかが省略されているが、通常、このシステム１００には、それらの要素も含まれている。
【００４１】
領域３２から反射又は回折したＸ線は、ウィンドウ１０６の別のものを介して、検出器アセンブリ３８内のアレイ４０によって受光される。そして、この検出器アセンブリ３８から信号をプロセッサ４６が受信し、前述のように、ウエハ９０のＸＲＤ及び／又はＸＲＲを計測することにより、チャンバ１０２内において製造中の薄膜層の特性を評価するべく、この信号を処理する。この結果、堆積装置１０４を制御する際に、この評価の結果を使用することにより、システム１００によって製造されるフィルムが、厚さ、密度、組成、及び表面粗度などの所望の特性を具備するようにすることができる。
【００４２】
尚、前述の実施例においては、半導体ウエハの表面層特性の判定を主に取り扱っているが、本発明の原理は、Ｘ線に基づいた分析のその他のアプリケーションだけでなく、Ｘ線のみならずその他の電離放射帯域を使用するその他のタイプの放射に基づいた分析にも、同様に使用可能である。又、システム２０、並びに、前述のＸＲＲ及びＸＲＤ技法を変更することにより、放射に基づいたその他の分析法を内蔵することも同様に可能である。例えば、このシステムは、前述の米国特許第６，３８１，３０３号明細書に記述されているＸ線蛍光計測及び／又は、２００３年２月１２日付けで出願され、本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願第１０／３６４，８８３号明細書（本引用により、この開示内容は、本明細書に包含される）に記述されている小さな角度の散乱計測を内蔵可能である。或いは、この代わりに（又は、これに加えて）、システム２０は、２００４年７月３０日付けで出願され、同様に、本出願の譲受人に譲渡された「Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｘ−ｒａｙ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ  ｂｙ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｄｉｆｆｕｓｅ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ」という名称の米国特許出願明細書（本引用により、この開示内容は本明細書に包含される）に記述されている拡散ＸＲＲ計測を実行するべく構成することも可能である。
【００４３】
このため、前述の実施例は、一例として引用されたものであり、本発明は、本明細書に具体的に図示及び記述された内容に限定されるものではないことを理解されたい。従って、本発明の範囲には、前述の様々な特徴の組み合わせ及び副次的な組み合わせと、前述の説明を参照することによって当業者が想起する従来技術には開示されていないその変形及び変更の両方が含まれている。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施例によるＸ線反射率計測（ＸＲＲ）及びＸ線回折計側（ＸＲＤ）用のシステムの概略側面図。
【図２】本発明の実施例によるＸＲＲスペクトルの概略プロット。
【図３】本発明の実施例によるＸＲＤスペクトルの概略プロット。
【図４】本発明の実施例による検査ステーションを含む半導体デバイス製造用のクラスタツールの概略平面図。
【図５】本発明の実施例によるＸ線検査能力を有する半導体処理チャンバの概略側面図。
【符号の説明】
【００４５】
２０    システム
２２    サンプル
２４    モーションステージ
２６    Ｘ線源
２８    Ｘ線管
３０    単色化オプティクス
３２    領域
３４    収束ビーム
３８    検出器アセンブリ
４０    検出器アレイ
４６    プロセッサ
５４、５６    湾曲トラック
【図１】
2006091017.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006091017.tif 000006
【図５】
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