(57)【要約】【課題】試験試料中のボイドを特徴付けるシステムを提供する。【解決手段】Ｘ線放射インデューサは、試験試料上のバイアのようなターゲットを走査する。メタライゼーションまたは薄膜層は走査の結果、Ｘ線を放射する。このＸ線放射強度は測定され、制御測定値と比較されえる。得られた情報は、走査ターゲット中のボイドを特徴付けるために用いられえる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に関連付けられた第１走査ターゲット中のボイドを特徴付ける装置であって、前記試料は第１表面および第２表面を有し、
第１走査ターゲットを走査するよう構成されたＸ線放射インデューサであって、前記Ｘ線放射インデューサは前記第１走査ターゲットがＸ線を前記第１表面から放射するようにさせるＸ線放射インデューサ、
前記試料の前記第１表面から放射された前記Ｘ線の測定値を得るよう構成されたＸ線放射検出システムであって、前記Ｘ線測定値は、前記第１走査ターゲット中のボイドを特徴付けるために制御測定値と比較されるＸ線放射検出システム
を備える装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記試料を固定するよう構成されたステージをさらに備え、前記ステージは前記試料を前記Ｘ線放射インデューサに対して位置付けるよう構成される装置。
【請求項３】
請求項１〜２のいずれかに記載の装置であって、前記試料を位置付けることは、前記試料を回転させることを含む装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の装置であって、前記第１走査ターゲットはバイアを含む装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の装置であって、前記試料は、複数の集積回路を備えるウェーハである装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の装置であって、前記Ｘ線放射検出システムは、第１材料に対応する第１放射エネルギーを持つＸ線を検出するよう構成される装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の装置であって、前記第１材料はＣｕを含む装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の装置であって、前記Ｘ線放射検出システムは、第２材料に対応する第２放射エネルギーを持つＸ線を検出するようさらに構成される装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の装置であって、前記第２材料はＴａを含む装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の装置であって、前記制御測定値は、近接する走査ターゲットを走査することによって得られる装置。
【請求項１１】
試料に関連付けられたボイドを特徴付けるシステムであって、前記試料は第１表面および第２表面を有し、
メモリ、
メモリに結合されたプロセッサであって、第１走査ターゲットにおける第１材料の特徴を示す誘起されたＸ線放射の第１測定値を特定し、制御測定値を特定し、前記第１測定値および前記制御測定値を比較することによって前記試料中の前記第１走査ターゲットに関連付けられたボイドを特徴付ける情報を得るよう構成されたプロセッサ
を備えるシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、前記第１材料は低抵抗を有するシステム。
【請求項１３】
請求項１１〜１２のいずれかに記載のシステムであって、前記第１材料は銅であるシステム。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のいずれかに記載のシステムであって、前記試料は、複数の集積回路を備えるウェーハであるシステム。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれかに記載のシステムであって、第２材料の特徴を示すＸ線放射の第２測定値を特定することをさらに含むシステム。
【請求項１６】
請求項１１〜１５のいずれかに記載のシステムであって、前記第２材料はバリア材料であるシステム。
【請求項１７】
請求項１１〜１６のいずれかに記載のシステムであって、前記第２材料はＴａであるシステム。
【請求項１８】
請求項１１〜１７のいずれかに記載のシステムであって、前記試料に関連付けられたボイドを特徴付けることは、ボイドの大きさおよび位置を決定することを含むシステム。
【請求項１９】
請求項１１〜１８のいずれかに記載のシステムであって、前記制御測定値は近接する走査ターゲットを走査することによって得られるシステム。
【請求項２０】
請求項１１〜１９のいずれかに記載のシステムであって、前記走査ターゲットはバイアであるシステム。
【請求項２１】
請求項１１〜２０のいずれかに記載のシステムであって、前記近接する走査ターゲットは近接するバイアであるシステム。
【請求項２２】
請求項１１〜２１のいずれかに記載のシステムであって、前記制御測定値は、＋ｘ、−ｘ、＋ｙ、および−ｙ位置にある近接するバイアを走査することによって得られるシステム。
【請求項２３】
請求項１１〜２２のいずれかに記載のシステムであって、前記制御測定値は、＋２ｘ、−２ｘ、＋２ｙ、および−２ｙ位置にある近接するバイアを走査することによって得られるシステム。
【請求項２４】
試料中のボイドを特徴付ける方法であって、
第１走査ターゲットにおける第１材料の特徴を示す誘起されたＸ線放射の第１測定値を特定すること、
制御測定値を特定すること、
前記第１測定値および前記制御測定値を比較することによって前記試料中の前記第１走査ターゲットに関連付けられたボイドを特徴付ける情報を得ること
を含む方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法であって、前記第１材料は低抵抗を有する方法。
【請求項２６】
請求項２４〜２５のいずれかに記載の方法であって、前記第１材料は銅である方法。
【請求項２７】
請求項２４〜２６のいずれかに記載の方法であって、前記試料は、複数の集積回路を備えるウェーハである方法。
【請求項２８】
請求項２４〜２７のいずれかに記載の方法であって、第２材料の特徴を示すＸ線放射の第２測定値を特定することをさらに含む方法。
【請求項２９】
請求項２４〜２８のいずれかに記載の方法であって、前記第２材料はバリア材料である方法。
【請求項３０】
請求項２４〜２９のいずれかに記載の方法であって、前記第２材料はＴａである方法。
【請求項３１】
請求項２４〜３０のいずれかに記載の方法であって、前記試料に関連付けられたボイドを特徴付けることは、ボイドの大きさおよび位置を決定することを含む方法。
【請求項３２】
請求項２４〜３１のいずれかに記載の方法であって、前記制御測定値は近接する走査ターゲットを走査することによって得られる方法。
【請求項３３】
請求項２４〜３２のいずれかに記載の方法であって、前記走査ターゲットはバイアである方法。
【請求項３４】
請求項２４〜３３のいずれかに記載の方法であって、前記近接する走査ターゲットは近接するバイアである方法。
【請求項３５】
請求項２４〜３４のいずれかに記載の方法であって、前記制御測定値は、＋ｘ、−ｘ、＋ｙ、および−ｙ位置にある近接するバイアを走査することによって得られる方法。
【請求項３６】
請求項２４〜３５のいずれかに記載の方法であって、前記制御測定値は、＋２ｘ、−２ｘ、＋２ｙ、および−２ｙ位置にある近接するバイアを走査することによって得られる方法。
【請求項３７】
試料中のボイドを特徴付ける装置であって、
第１走査ターゲットにおける第１材料の特徴を示す誘起されたＸ線放射の第１測定値を特定する手段、
制御測定値を特定する手段、
前記第１測定値および前記制御測定値を比較することによって前記試料中の前記第１走査ターゲットに関連付けられたボイドを特徴付ける情報を得る手段
を備える装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大きくは試料の検査および分析の分野に関し、より具体的には半導体集積回路におけるボイドの特徴付けに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の集積回路のメタライゼーションおよび薄膜層は、バイア、コンタクト、およびウィンドウのようなインターコネクトを含む。インターコネクトは、集積回路中においてトランジスタおよび他の回路の間の電気的な接触を可能にするよう配置される。しかし多くのファクタによって、導電層中にはボイドが生じえる。ボイドは、さまざまな回路要素間の電気的接触に影響しえる。ボイドは、ストレス、エレクトロマイグレーション、および不純物のようなさまざまなファクタによって生じえる。線幅のサイズが縮小し続けるにつれ、小さい欠陥でも集積回路が正常に動作することを妨げえる。ボイドは、開放回路を生じさせて最終的には集積回路の故障につながりえる。
【０００３】
製造のさまざまな段階における集積回路の検査は、製造歩留まりおよび製品の信頼性を大きく改善しえる。もしボイドが製造の初期に検出されえるなら、ボイドの原因が決定され、大量の欠陥ＩＣが製造される前に修正されえる。
【０００４】
従来の欠陥検出システムは、「電圧コントラスト」技術をしばしば用いる。電圧コントラスト技術は、試料が電子ビームのターゲットであるときに、検査中の試料のさまざまな位置における電位差が、２次電子放出強度の差を生じえることを基礎にして動作する。よって走査された領域の電位状態は、例えばワイヤリングパターンのうちの低電位部分は明るく表示され（２次電子放出が高い）、高い電位部分は暗く表示され（２次電子放出が低い）えるような電圧コントラストとして得られる。あるいはシステムは、低い電位部分が暗く表示され、高い電位部分が明るく表示されるように構成されえる。
【０００５】
２次電子検出器は、走査電子ビームによって走査されるパスにおいてだけ発生する２次電子放出の強度を測定するのに用いられる。欠陥のある部分は、検査中の部分の電位状態から特定されえる。検査のある形態においては、欠陥電位コントラスト画像および無欠陥の画像の間の一致しない部分が大まかな欠陥位置を表す。
【０００６】
他の技術は、ウェーハを断面にスライスし、電子顕微鏡で欠陥を検出することを伴う。しかし破壊的方法は時間がかかり無駄が多い。音響的および光学的方法も利用可能であるが、特定の条件でしか用いられない。音響的方法は、統計的に意味のあるサンプルのために適切なデータを収集するためにかなりの時間を要する。さらに音響的手法は、透明フィルムに対応できず薄いフィルム厚の範囲（数ナノメートル）に限定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電圧コントラスト技術を使うことで、試料中の欠陥の位置を大まかに決定することができる。しかし従来の電圧コントラスト技術は、ボイドの完全な特徴付けができない。例えば電圧コントラストは、欠陥のタイプ、大きさ、またはボイドの深さを含む正確な位置についての充分な情報を提供しない。したがってより正確なボイドの特徴付けを可能にする改良された検出システムが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、試験試料中のボイドを特徴付けるシステムを提供する。Ｘ線放射インデューサは、試験試料上のバイアのようなターゲットを走査する。メタライゼーションまたは薄膜層は走査の結果、Ｘ線を放射する。このＸ線放射強度は測定され、制御測定値と比較されえる。得られた情報は、走査ターゲット中のボイドを特徴付けるために用いられえる。
【０００９】
ある実施形態においては、第１表面および第２表面を有する試料に関連付けられた第１走査ターゲット中のボイドを特徴付ける装置が提供される。Ｘ線放射インデューサは、第１走査ターゲットを走査するよう構成される。前記Ｘ線放射インデューサは前記第１走査ターゲットがＸ線を前記第１表面から放射するようにさせる。Ｘ線放射検出システムは、前記試料の前記第１表面から放射された前記Ｘ線の測定値を得るよう構成される。前記Ｘ線測定値は、前記第１走査ターゲット中のボイドを特徴付けるために制御測定値と比較される。
【００１０】
他の実施形態においては、第１表面および第２表面を有する試料に関連付けられたボイドを特徴付けるシステムが提供される。システムは、メモリ、およびメモリに結合されたプロセッサを含む。プロセッサは、第１走査ターゲットにおける第１材料の特徴を示す誘起されたＸ線放射の第１測定値を特定し、制御測定値を特定し、前記第１測定値および前記制御測定値を比較することによって前記試料中の前記第１走査ターゲットに関連付けられたボイドを特徴付ける情報を得るよう構成される。
【００１１】
さらに他の実施形態においては、試料中のボイドを特徴付ける方法が提供される。第１走査ターゲットにおける第１材料の特徴を示す誘起されたＸ線放射の第１測定値が特定される。制御測定値が特定される。前記第１測定値および前記制御測定値を比較することによって前記試料中の前記第１走査ターゲットに関連付けられたボイドを特徴付けられる。
【００１２】
本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、本発明の以下の明細書および添付図面により詳細に提示され、これらは本発明のさまざまな原理を例示により示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、以下の説明を添付図面と併せて参照して最もよく理解されよう。図面は本発明の具体的な実施形態を示すことに注意されたい。
【００１４】
以下にさらに説明されるように、本発明の好ましい実施形態は、試験試料におけるボイドを検出、分離（isolate）および特徴付け（characterize）を行うために効率的なウェーハ検査能力を提供する。
【００１５】
本発明のいくつかの実施形態は、互いに分離され、基板からは誘電体層で分離されたさまざまなレベルの導電体を用いた半導体構造および基礎となるメタライゼーションまたは他のインターコネクトを含む、例示的なマルチレベル集積回路構造のコンテキストで説明される。しかし半導体製造の他の方法を用いて形成された構造もまた本発明の範囲に入る。
【００１６】
本発明の技術は、試験試料中のボイドの非破壊的検出、分離、および特徴付けを可能にする。ある実施形態において、試験サンプルは、複数の集積回路を備えるウェーハである。従来の集積回路の製造中には、低い抵抗を持つ導電材料のために誘電体層に開口が設けられる。この開口は、アルミニウムまたは銅のような導電材料によって埋められ、回路要素間の電気的接触を可能にする。開口は、バイア、ウィンドウ、またはコンタクトと呼ばれえる。
【００１７】
開口が導電材料で埋められるとき、集積回路要素は正常に動作する。しかしさまざまなファクタが導電材料中にボイドを形成させる。ボイドは、ストレス、エレクトロマイグレーション、および不純物のようなさまざまなファクタによって生じえる。線幅のサイズが縮小し続けるにつれ、比較的小さい欠陥でも障害となりえる。ボイドは、開放回路を生じさせて最終的には集積回路の故障につながりえる。
【００１８】
本発明は、試験試料中のボイドを検出および位置特定する方法および装置を提供するだけでなく、ボイドを特徴付ける技術を提供する。この技術は、ボイドのサイズおよび深さを決定することを可能にする。ボイドの特徴についての情報があれば、システム操作者は、集積回路製造プロセスを改善して、ボイドの個数を減らし、歩留まりを上げることができる。
【００１９】
ある実施形態において、試験試料を走査するためにＸ線放射インデューサ（x-ray emission inducer）が用いられる。試験試料にＸ線を放射させることができる任意の装置はここではＸ線放射インデューサと呼ばれる。ある例ではＸ線放射インデューサは、電子ビームである。他の例ではＸ線放射インデューサは、照射源である。Ｘ線を発生するのに用いられる主要なソースは、電子ビームまたはＸ線のいずれかのソースである。イオンビームを用いてＸ線を発生させることもできるが、イオンビームは、インプランテーションを通して、またはエッチングを通してプロセス中の基板に影響を及ぼす。Ｘ線放射インデューサは、試験試料上のターゲットサイトを走査する。ターゲットサイトは、単一のバイア、ウィンドウ、またはコンタクトを含みえる。Ｘ線検出器がＸ線放射インデューサの近傍にアラインされて試験試料から放射されるＸ線を検出する。さまざまな実施形態によれば、走査に曝される導電材料は、その導電材料に対応する放射エネルギーを持つＸ線を放射する。例えば、電子によって衝突された銅は、銅の特徴を持つＸ線を放射し、電子によって衝突されたタンタルは、タンタルの特徴を持つＸ線を放射する。実質的に導電材料を持たない走査されたボイドは、走査された導電材料を含むものほど多くは導電材料の特徴を持つＸ線を放射しない。Ｘ線検出器は、走査ターゲットにおいて放射されたＸ線の強度を測定することによって走査ターゲットにおけるボイドの特徴を決定する。２次電子ではなくＸ線を用いる優位性の１つは、２次電子はボイドのある基板についての、特に深いボイドについての情報を提供しないことである。
【００２０】
図１は、本発明の技術を用いるシステムの概略図である。図１の詳細は、例示目的で提供される。当業者には図１に示されるシステムの変化形も本発明の範囲に入ることが理解できるだろう。例えば図１は、連続的に移動するステージを持つＸ線放射インデューサの動作を示す。しかしここで説明される試験構成および方法は、ステップアンドリピートモードで動作されるＸ線放射インデューサを含む他の試験装置のコンテキストでも有用である。ビームに対してステージを移動させる代わりに、電磁レンズで視野を屈折させることによってビームが移動されてもよい。あるいはビームカラムがステージに対して移動されてもよい。
【００２１】
試料１５７は、Ｘ線放射インデューサ１２０の下に自動的に固定される。Ｘ線放射インデューサ１２０は、電子ビームのような粒子ビーム、またはＸ線放射器のような照射源でありえる。試料ハンドラ１３４は、自動的に試料をステージ１２４上で方向付けるよう構成されえる。ステージ１２４は、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸に沿った移動および回転を含む６自由度を持つよう構成されえる。ある具体的な実施形態において、ステージ１２４は、ｘ方向のステージの動きがバイアの長さによって決定される軸と対応するようにＸ線放射インデューサ１２０に対してアラインされる。例えば試料１５７は、ステージのｘ方向の動きが、試料の上から見たバイアの長さに対応するようにアラインされえる。同様に試料１５７は、ステージのｘ方向の動きがバイアの幅に対応するようにアラインされる。試料のアライメントの微調整は、手動で、または自動的に達成されえる。試料１５７の分析中のステージ１２４の位置および動きは、ステージサーボ１２６および干渉計１２８によって制御されえる。
【００２２】
ステージ１２４がｘ方向に移動するとき、インデューサ１２０は繰り返しｙ方向に行ったり来たり偏向されえる。さまざまな実施形態によれば、インデューサ１２０はほぼ１００ｋＨｚで前後に移動する。
【００２３】
ある具体的な実施形態によれば、Ｘ線放射検出器１３２および試料１５７によって形成される軸は、Ｘ線放射インデューサ１２０および試料１５７によって形成される軸に対して３５度の角度になるよう構成される。当業者にはわかるように、インデューサ１２０および検出器１３２を近接して配置することによってＸ線放射の正確な検出が可能になる。ステージのような他の要素と共にインデューサ１２０および検出器１３２は、さまざまなプロセッサ、記憶要素、および入力および出力装置を用いて制御されえる。
【００２４】
図２は、試験対象の試料となりえるウェーハの概略図である。ウェーハ２０１は、複数のダイ２０５、２０７、および２１１を備える。ダイ２０５はボイドを含まないが、ダイ２０７および２１１はボイドを含む。さまざまな実施形態によれば、ボイド検出および特徴付けをする本発明の技術は、それぞれのメタライゼーションまたは薄膜層がウェーハ上に堆積された後に実行される。メタライゼーションプロセスが行われるウェーハの側はここではウェーハの上面と呼ばれる。ウェーハは、銅のような材料を含む薄膜層またはメタライゼーション層がウェーハ第１表面上に堆積された後に、ボイドを検出および特徴付けをするために走査されえる。製造プロセス中にボイドを検出する能力は、製造プロセスの即時の変更を可能にする。対照的に従来の技術は、欠陥を認識および修正することがしばしば不可能であり、欠陥のあるプロセスはデバイスの処理が完了する後まで続いた。
【００２５】
本発明の試験方法は、発展型プロセス制御システムの一部として用いられえ、このシステムにおいては試験プロセスからのデータがプロセス歩留まりを改善する自動化された制御システムに与えられる。例としてボイド検出の技術は、動的にメタライゼーションプロセスを改善する自動化制御システムにデータを提供しえる。
【００２６】
図３は、ダイ上のメタライゼーション層の一部として形成された複数のバイアの概略図である。上述のように、バイアはＸ線放射インデューサの走査ターゲットになりえる１つの候補である。他の走査ターゲットには、コンタクトおよびウィンドウのような導電要素がある。コンタクトは一般にバイアより大きく、単一層の構造である。バイアは一般に層群を鉛直に接続する。
【００２７】
当業者にはわかるように、バイアはさまざまな異なる構成を持ちえる。ダイの単一のメタライゼーション層に形成された６００万個のバイアが存在しえる。さまざまな実施形態によれば、それぞれのバイアが走査ターゲットである。ある例では、走査ターゲットは１．２９μｍである。Ｘ線放射インデューサはそれぞれの個々のバイアにターゲットが合わせられ、Ｘ線放射検出器が用いられて走査によって発生されたＸ線の量が測定される。バイア３０９は走査ターゲット３０５内に存在しえる。試料３０１は、バイア３０９の長手方向軸が実質的にステージのｘ方向の動きに平行になるような位置に回転されえる。特定のバイアの走査から生じるＸ線放射を測定するためには、そのＸ線放射インデューサについて試料の再アライメントが必要になりえることに注意されたい。
【００２８】
バイア３１９、３２１、３１１、および３１５は、バイア３０９に近接する。バイア３２１は、バイア３０９の＋ｘ位置にあるバイアとここでは呼ばれる。バイア３１５は、バイア３０９の−ｘ位置にあるバイアとここでは呼ばれる。同様にバイア３１９および３１１は、バイア３０９の＋ｙおよび−ｙ位置にあるバイアとここでは呼ばれる。
【００２９】
ある実施形態によれば、走査ターゲット３０５中のバイア３０９には電子ビームからの電子が衝突される。電子ビームからの電子は、バイア３０９の導電材料にＸ線を放射させる。それからＸ線検出器は、バイア３０９中にボイドが存在するかを決定するために、Ｘ線放射の特徴を測定しえる。しかし電子が走査ターゲット３０５に向けられるとき、いくつかの電子は近接バイア３２１、３１１、３１５、および３１９に到達する。近接バイアに到達する電子は、近接バイアにもＸ線を放射させる。これらのＸ線もＸ線検出器によって測定され、バイア３０９についてのＸ線放射測定にずれを生じる。近接バイアは、ここでは近接走査ターゲットと呼ばれる。ある実施形態において制御測定値は、近接バイアつまり近接走査ターゲットを走査することによって決定されえる。近接バイアは、制御測定値を提供する効率的な手法を提供するが、これは近接バイアは試験中のバイアのそれと同様の特徴をしばしば有するからである。
【００３０】
ある実施形態によれば、走査ターゲット３０５の走査から生じるＸ線放射測定値は、制御測定値（control measurement）と比較されずれの考慮を可能にする。あるいはこの制御測定値は、特定の材料のバイアについての値を持つ設計データベースから獲得されえる。ある実施形態においては、もし試験中のバイアのＸ線測定値が制御測定値以上であるなら、そのバイアにはボイドが存在しない。もしそのバイアについてのＸ線測定値が制御測定値未満であるなら、そのバイアにはボイドが存在する。
【００３１】
例えば銅メタライゼーション層中のボイドのないバイア３０９は、ボイドのない近接バイア３１１と同等の電流測定値を持つ。しかしボイドを持つバイア３０９は、ボイドのない近接バイア３１１と同じ電流測定値は持たない。より具体的には、ボイドを持たないバイア３１１からの多くのＸ線放射は、銅に対応するエネルギーレベルを有する。ボイドを持つバイア３０９からのＸ線放射は、銅に対応するエネルギーレベルを有する放射は少ししかない。放射の中には検出されるものもあり、それは、Ｘ線放射はボイドの周囲にある銅からの、つまり近接バイアからの放射でありえるからである。
【００３２】
ある実施形態によれば、バイア３４１、３２１、３１１、３２５、３１５、３２９、３３１、および３１９を走査することから生じるＸ線放射値群が用いられて、制御測定値が得られる。もし上記近接バイアを走査することから生じるこれらＸ線放射値群の平均が、バイア３０９を走査することから生じる電流測定値より大幅に大きいなら、バイア３０９はボイドを持つと特徴付けられる。この制御測定値は、任意の時刻において決定されえることに注意されたい。例えばバイア３０９は、制御測定値が決定される充分に前に走査されえるが、これは近接するバイアがまだ走査されていないからである。全てのバイアはラスタモードで走査されえ、結果として生じるＸ線放射値群はデータベースに記憶されえる。走査が完了した後で、特定のバイアのＸ線放射測定値および近接バイアのＸ線放射レベルから決定される制御測定値に基づいて欠陥の決定が成されえる。他の実施形態によれば、バイア３０９が走査された後に、近接バイア群が即時に走査されてバイア３０９がボイドを含むかが決定される。
【００３３】
ボイドは、電子ビーム強度を変えること、および走査ターゲットを変えることによってさらに特徴付けられる。ボイドが検出された後に、電子ビームは検出されたボイドに直接隣接する近傍領域上にフォーカスが集められえる。電子ビームは、ボイド深さの特徴付けのためにビーム電位（beam potential）を変化させることによって、または長さおよび幅の特徴付けのためにステージまたはカラムを移動させることによって近接領域上にフォーカスが集められえる。ビーム電位は、深さ測定に影響を与えるよう変化されえる。ビーム電位が高いと、より深く基板に侵入するので、材料をより深く検査することが可能になる。ビーム電位の変化は、ボイドの位置および寸法を特徴付ける情報を提供しえる。
【００３４】
図４は、試料サンプルの断面の概略図である。メタライゼーションまたは薄膜層４０９は、バリア層４０５の上面に堆積される。さまざまな実施形態によれば、薄膜層４０９は、銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）のような材料を含み、バリア層はタンタル（Ｔａ）または窒化タンタル（ＴａＮ）のような材料を含む。典型的にはメタライゼーションまたは薄膜層４０９は、バリア層４０５よりずっと厚い。タンタルバリア層４０５は典型的には、薄膜層４０９からの銅が誘電体４０１に浸透することを防ぐために用いられる。ある実施形態において薄膜層は１０００ｎｍであり、バリア層は１５ｎｍである。しかし本発明の技術は、さまざまな厚さのメタライゼーション層４０９およびバリア層４０５に関連付けられたボイド４１１に用いられえる。
【００３５】
さまざまな実施形態によれば、ボイドは、メタライゼーション層４０９がバリア層４０５上に堆積された後に検出され特徴付けられる。電子ビームのようなＸ線放射インデューサによる走査のエネルギーは、薄膜層の公称の厚さに基づいて変えられる。電子ビームエネルギーは、試料の第１表面から最大のＸ線放射強度を発生するように変えられる。もし電子ビームエネルギーが不十分であるなら、少しの電子しか試料の表面を透過せず、銅のような導電材料と相互作用することによって銅の特徴を表すエネルギーレベルを持つＸ線を放射する。当業者にはわかるように、銅のような導電材料と相互作用する電子は、Ｋ線のＸ線を放射する。特徴的なＸ線は以下にさらに説明される。
【００３６】
もし電子ビームエネルギーが高すぎるなら、多くの電子は完全に導電材料を透過し、下にあるバリアまたは誘電体材料と相互作用する。バリアまたはタンタルのような材料と相互作用することによってＸ線はやはり放射されるが、放射されたＸ線のエネルギーレベルはタンタルの特徴を表し、銅の特徴を表さない。
【００３７】
図５は、さまざまな厚さの銅層のための具体的な電子ビームエネルギーを示す概略図である。１０００ｎｍの銅について、入射ビームエネルギーがおよそ４０ｋｅＶであるとき、Ｘ線放射強度は２．００ｅ＋０６  ｃｐｓ／ｎＡである。２０００ｎｍの銅について、入射ビームエネルギーがおよそ６０ｋｅＶであるとき、Ｘ線放射強度は、３．５０ｅ＋０６  ｃｐｓ／ｎＡである。高い入射ビームエネルギーは典型的には厚い銅層に用いられることに注意されたい。また部分５０３に示されるように、高いビームエネルギーは結果としてＸ線放射強度の減少につながることに注意されたい。
【００３８】
上述のように、もし入射ビームエネルギーが高すぎると、多くの電子がメタライゼーション層を完全に透過して、下にあるバリアまたは誘電体層と相互作用する。結果としてより多くのＸ線放射は下にあるバリア材料に対応するエネルギーレベルを有する。ある例では、多くの電子が銅層を透過して、下にあるタンタルバリア層と相互作用する。その結果、Ｘ線放射エネルギーは、タンタルの特徴を表すＸ線放射エネルギーに対応する。
【００３９】
もし銅層中にボイドが存在したなら、同様の効果が起こる。もし銅層中にボイドが存在したなら、多くの電子は銅層を完全に透過して、下にある層と相互作用するだろう。タンタルの特徴を示す多くのＸ線放射が検出されるだろう。これは、ボイドの存在を確認する便利な手法を提供する。ボイドを持たない走査ターゲットは、銅の特徴を示すＸ線放射を多く発生させ、タンタルの特徴を示すＸ線放射を少なく発生させる。しかしボイドを持つ走査ターゲットは、銅の特徴を示すＸ線放射をより少なく発生させ、タンタルの特徴を示すＸ線放射をより多く発生させるが、これは電子が銅層を完全に透過し、下にあるタンタル層と相互作用をするからである。
【００４０】
異なる材料からのＸ線放射を検出するために、単一の検出器または複数の検出器群がＸ線検出システムとして用いられえる。Ｘ線検出システムはより詳細に後述される。
【００４１】
ボイドの存在を検出、特徴付け、または確認する他の技術は、試験試料を完全に透過する電子の量を測定することである。試験試料を完全に透過する電子は、電気的に絶縁されたステージによって検出されえる電流を発生しえる。試料を完全に透過する電子の強度を測定することによってボイドを検出および特徴付けする技術は、Mehran Nasser-GhodsiおよびJeffrey Reichertによる「Void and Erosion Localization」と題された同時に出願される米国特許出願第  号（弁護士整理番号ＫＬＡ１Ｐ０３９）に記載され、この出願はその全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【００４２】
図６は、具体的な実施形態によるボイドの検出および特徴付けを示すプロセスフローチャートである。６０１においてＸ線放射インデューサが初期化される。Ｘ線放射インデューサを初期化することは、試験中の薄膜層の厚さに基づいて電子ビームエネルギーを設定することを伴いえる。ビームエネルギーは、図５を参照して上述のように設定されえる。
【００４３】
Ｘ線放射検出器は６０５において初期化される。検出器を初期化することは、銅またはタンタルのような特定の材料からの特性Ｘ線放射を測定するために検出器を設定することを含みえる。当業者にはわかるように、検出器は、Ｋ線およびＬ線放射を検出するよう構成された分光計でありえる。６０５における初期化プロセスの一部としてＸ線放射インデューサを用いて標準試料が走査されえる。ある実施形態において、所定の厚さを持つ銅層が走査され、特性Ｘ線放射が６０５において検出器によって測定される。標準測定値は、Ｘ線検出器をチューニングして検出器感度を設定するのに用いられえる。さまざまな較正および初期化技術が用いられえる。さまざまな実施形態によれば、インデューサの初期化が６０１において、また検出器の初期化が６０５において、それぞれのウェーハが試験される前に実行される。他の実施形態によれば、初期化は、ウェーハが何枚か走査された後に再び行われる。
【００４４】
６０７において、Ｘ線放射インデューサは走査ターゲットに向けられる。走査ターゲットは、電圧コントラスト技術によって決定されるような対象領域でありえる。走査ターゲットはまた、ボイドを含みえる任意の領域でありえる。ステージを移動させることによって、またはインデューサを移動させることによって、インデューサは走査ターゲットに向けられる。６１３において、疑わしいバイアはＸ線放射インデューサの視野の中心に位置付けられる。バイアを中心に位置付けることは、バイアの長手軸をステージのｘ軸に方向づけることを含みえる。またバイアを中心に位置付けることは、ステージを回転することを含みえる。
【００４５】
電子ビームのようなＸ線放射インデューサによってバイアは走査され、Ｘ線放射強度が６１９において測定される。さまざまな実施形態によれば、Ｘ線放射検出器システムは、試料の上側にＸ線放射インデューサと並んで位置する。
【００４６】
ボイドがバイア中に存在するかを決定するために、Ｘ線放射カウントは制御測定値と比較される。ある実施形態によれば、もしＸ線放射強度が２５％だけ制御測定値より少ないなら、ボイドが存在すると決定される。ある例では、もしＸ線放射強度が２．００Ｅ＋０６  ｃｐｓ／ｎＡであり、制御測定値３．００Ｅ＋０６  ｃｐｓ／ｎＡであるなら、ボイドが存在すると決定される。制御測定値は、多くのさまざまな異なる方法で決定されえる。ある実施形態によれば、Ｘ線強度が測定された後、近接バイアが走査され、近接バイアに対応するＸ線放射カウントが決定される。例えば、第１バイアが走査され、Ｘ線強度カウントが決定された後に、近接する＋ｘ、−ｘ、＋ｙ、および−ｙバイアが走査され、対応するＸ線放射カウントが測定される。その後、近接する＋２ｘ、−２ｘ、＋２ｙ、および−２ｙバイアも走査される。上述のように、近接バイアに対応するＸ線放射カウントは、制御測定値を決定するのに用いられえる。あるいは制御測定値は、他のプロセスから、または＋ｘ、＋ｙ、−ｘ、−ｙなどのようなある近接バイアの走査から決定されたデータベースに記憶される値でありえる。ある実施形態において、あるバイアの走査からのＸ線放射カウントおよび近接バイアからのＸ線放射カウントは図式的に比較されえる。
【００４７】
図７Ａおよび７Ｂは、バイアおよび近接バイアの走査から生じる電子放射の図式的表現である。図７Ａは、ボイドを有するバイアについて走査されたＸ線放射強度の図式的表現である。バイアの走査は、Ｘ線放射強度７０１を生じる。Ｘ線放射強度７０１は、＋ｙ、−ｘ、および−ｙに対応するＸ線放射強度７０７、７０５、および７０９よりも大幅に小さい。対照的に図７Ｂは、ボイドがないバイアの図式的表現である。Ｘ線放射強度７５１は、近接バイアのＸ線放射強度測定値７５３および７５５と似ていることに注意されたい。
【００４８】
Ｘ線放射インデューサは、試験中の試料からＸ線を放出させるものならなんでもよい。ある実施形態においてＸ線放射インデューサは、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）でありえる。図８は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）８００の概略図である。示されるようにＳＥＭシステム８００は、電子ビーム８０１を発生し、実質的に試料８２４上の対象領域に導く電子ビーム発生器（８０２から８１６）を含む。
【００４９】
ある実施形態において電子ビーム発生器は、電子源ユニット８０２、アライメントオクタポール（octupole）８０６、静電前段偏向器８０８、可変開口８１０、ウィーンフィルタ８１４、および磁気対物レンズ８１６を含みえる。ソースユニット８０２は、電子を発生し放出する任意の形態で実現されえる。例えばソースユニット８０２は、フィラメント内の電子が励起されフィラメントから放出されるように加熱されるフィラメントの形態を取りえる。オクタポール８０６は、特定のガンレンズ電圧が選択された後にビームをアラインさせるよう構成される。言い換えれば、ビームは、開口８１０に対して再アラインされるように移動されなければならないこともありえる。
【００５０】
開口８１０は、それを通してビームが導かれる穴を形成する。下部クワドラポール８０８は、機械的アライメントの不一致を補償するために含まれえる。すなわち下部クワドラポール８０８は、ビームがそれを通して到達しなければならないＳＥＭの任意のミスアラインされたスルーホールに対してビームのアライメントを調節するのに用いられる。磁気対物レンズ８１６は、ビームを試料に向けて加速する機構を提供する。
【００５１】
試料から放射されたＸ線を検出するために、Ｘ線を測定する任意の適切な検出器が用いられえる。図９は、本発明のある実施形態による波長分散システム（ＷＤＳ）Ｘ線検出器の断面図である。それぞれのＸ線検出器９００は、開口９３９を有するハウジング９３０を含む。ハウジングおよび開口は、本発明の技術を実施するのには任意選択である。電子ビーム９４５は、薄膜デバイス９５５（すなわち半導体ウェーハ）上の焦点９５０に向けられる。電子ビーム９４５は、光子９４０が焦点９５０から放出されるように働く。開口９３９は、光子９４０のうちの制限された量だけがそれぞれの検出器９００に入ることを許容する。検出器９００に入ると、それぞれの光子は、凹面反射表面９１０へのパスに沿って飛ぶ。反射表面９１０は、光子の一部をセンサ９２０に導く。反射表面９１０は、特定のエネルギーレベルを持つ光子だけがセンサ９２０に導かれるように設計され配置される。反射表面９１０は、フィルム特徴付けプロセスを促進するために、ある材料の特徴を示すエネルギーレベルを持つ光子だけを導くように配置される。特定のエネルギーレベルだけを持つ光子を検出することによって、検出器９００は、高い信号対雑音比を得ることができる。反射表面は、光子をセンサに向けて導くことができるブラッグ反射器または石英でありえることに注意されたい。
【００５２】
ＷＤＳＸ線検出器９００’の代替実施形態の断面が図１０に示される。検出器９００’は、焦点９５０から放出された光子９４０を捕捉し、それからその反射表面によって光子９４０が実質的に平行なパスを通るようにするコリメータ９６０を持つ。コリメータ９６０は、一般には金属箔材料から作られる。光子はそれから、光子９４０がセンサ９２０に向けて平行なパスを続けて移動するよう、実質的に平らな反射表面９６５で反射される。検出器９００と同様、検出器９００’の反射表面９６５は、やはりブラッグ反射器または石英でありえる。
【００５３】
検出器９００および９００’の一般的な要素を含む共通装置は、波長分散システム（ＷＤＳ）である。複数のＷＤＳ検出器を利用することによって、試料の測定されたフィルム積層物内に存在すると予期されるそれぞれのタイプの材料について、１つ以上の光子のピークが検出されえる。すなわち、フィルム積層物内の１つ以上のタイプの材料についての特性放射レベルが測定されえる。また１つ以上の個別の検出器が、それぞれのタイプの材料についてさまざまな特性放射レベルを検出するために専ら用いられえる。例えば銅材料に関連付けられた２つのピークを検出するために、２つのＷＤＳ検出器がそれ専用に用いられえる。前述のようにそれぞれの材料は、Ｋ、Ｌ、またはＭ殻のそれぞれから落ちる電子によって放出される光子の特性を示す放射レベルを有する。複数のＷＤＳ検出器を用いることによって、試験システムは、複数のフィルム層のそれぞれについての情報を得ることが可能である。
【００５４】
他のタイプの検出器、エネルギー分散システム（ＥＤＳ）は、光子を広いエネルギースペクトルで集める。ＥＤＳは、より広い範囲の信号を集めることができる。しかしその結果、ＥＤＳ検出器は、また特性光子エネルギーの周囲にあるエネルギーを持つ光子も集める。これによりＥＤＳ検出器は、より低い信号対雑音比を持つことになる。
【００５５】
示された実施形態の試験システムは、０．５％の正確さの精密さを持つ測定値を得ることができる。よってこの試験システムは、正確な特徴付けおよび高いスループットの両方が可能である。
【００５６】
上述の本発明は理解をはっきりさせる目的で詳細に記載されてきたが、ある種の変更および改変が添付の特許請求の範囲内で実施されえることは明らかであろう。例えば、本発明の技術は、ボイド特徴付けに応用されえるが、Shing Leeによる「Film Thickness Measurement Using E-Beam Induced X-Ray Microanalysis」と題された２０００年１０月２３日に出願された米国特許出願第０９／６９５，７２６号に記載された薄膜測定のために使用されてもよく、この出願はその全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【００５７】
本発明の技術を実現する多くの代替手法が存在することに注意されたい。例えばＸ線放射測定値および制御測定値の間で比較を実行する前に、ウェーハ全体が走査され、対応する測定値が記憶されてもよい。ウェーハ全体が走査され、ウェーハ全体からの放射測定値を用いて制御測定値が決定された後に、それから比較が実行されえる。したがって本発明の実施形態は、例示的であって限定的ではないと考えられるべきであり、本発明はここに述べられた詳細には限定されず、むしろ添付の特許請求の範囲およびその等価物の中で改変されえる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の技術を使用できるシステムの概略図である。
【図２】試験中の試料でありえるウェーハの概略図である。
【図３】集積回路上の複数のバイアの概略図である。
【図４】複数のバイアの断面概略図である。
【図５】入射エネルギーおよび発生されたＸ線放射強度の図式的表現である。
【図６】試料の走査を示すプロセスフローチャートである。
【図７Ａ】走査ターゲットおよび近接走査ターゲットに対応する発生されたＸ線放射強度の図式的表現である。
【図７Ｂ】走査ターゲットおよび近接走査ターゲットに対応する発生されたＸ線放射強度の図式的表現である。
【図８】試料の走査を実現するのに使用されえる電子ビームの概略図である。
【図９】Ｘ線放射を測定するのに使用されえる検出器の概略図である。
【図１０】使用されえる検出器の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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