(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体エピタキシャル層を高解像度で分析する。【解決手段】Ｘ線２６の集束するビーム３０を、エピタキシャル層がその上に形成されたサンプル２２の表面に配向するステップと、１つの回折ピークとエピタキシャル層に起因する周辺スペクトルを有する回折スペクトルを生成するため、サンプルから回折されたＸ線を検知し、同時に、検知されたＸ線を角度の関数として解析するステップと、からなる分析方法。周辺スペクトルの特性はエピタキシャル層の緩和を測定するために分析される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析の方法であって、
Ｘ線の集束ビームをそれぞれ異なる結晶特性の第１と第２の結晶層からなるサンプルの表面に配向するステップと、
前記第１の結晶層に起因する第１の回折ピークと前記第２の結晶層に起因する第２の回折ピークを少なくとも有する第１の回折スペクトルを生成するため、前記サンプルから回折された前記Ｘ線を検知し、同時に、前記検知されたＸ線を角度の関数として解析するステップと、
ビームブロッカを、前記第１の回折ピークを含む角度範囲をブロックするため、前記集束ビーム内に配置するステップと、
前記第１の回折ピークが少なくとも部分的にブロックされている時に、少なくとも前記第２の回折ピークを有する第２の回折スペクトルを生成するため、前記ビームブロッカが集束ビーム内に配置されている時に、前記サンプルから回折された前記Ｘ線を検知するステップと、
少なくとも前記第２の結晶層の特性を識別するため、少なくとも前記第２の回折スペクトルを分析するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記Ｘ線を検知するステップは、仰角の範囲に亘り同時に前記Ｘ線を捕捉し解析するように構成された、要素を持つ検知器アレイを配置するステップを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記仰角の範囲は少なくとも２°である、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。  
【請求項４】
前記第２の結晶層は前記第１の結晶層の上にエピタキシャルに積層される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。  
【請求項５】
前記第１の結晶層は半導体基板からなり、前記第２の結晶層はドープされた半導体からなる、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記半導体基板はシリコンウェハからなり、前記第２の結晶層はＳｉＧｅエピタキシャル層からなる、ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも前記第２の回折スペクトルを分析するステップは、前記第２の回折スペクトル内の前記第１の回折ピークの近傍に現れる周辺パターンを分析するステップを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ビームブロッカを配置するステップは、前記第１の回折ピークの角度範囲を同定するため、自動的に前記第１の回折スペクトルを分析するステップと、前記同定された範囲をカバーするため前記ビームブロッカを移動するステップと、を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記Ｘ線の集束ビームは焦点を持ち、
前記Ｘ線を検知し前記第１の回折スペクトルを生成するステップは、前記第１と前記第２の回折ピークの分離を増大させるため、前記サンプルを前記焦点外に移動させるステップを有し、
前記ビームブロッカを配置するステップは、前記サンプルが焦点外にある時に前記ビームブロッカの位置を調整し、その後第２の回折スペクトルを生成するため前記サンプルを焦点内に移動させるステップを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記Ｘ線を検知し前記第１の回折スペクトルを生成するステップは、前記サンプルを前記焦点外に移動させるステップと、少なくとも前記第１の回折スペクトルを非対称回折モードで捕獲するステップと、を有することを特徴とする請求項９に記載の方法。  
【請求項１１】
前記Ｘ線の集束ビームを配向するステップは、単色の第１のビームを第１の波長でモノクロメータを使用して生成するステップを有し、
ここにおいて前記第１のビームは前記サンプル上の焦点に集束し、
前記方法は、前記モノクロメータにより第２の波長で生成された第２のビームを、前記第１のビームに隣接した焦点手前の位置でブロックするステップを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
分析の方法であって、
焦点を有するＸ線の集束ビームをそれぞれ異なる結晶特性の第１と第２の結晶層からなるサンプルの表面に配向するステップと、
前記第１の結晶層に起因する第１の回折ピークと前記第２の結晶層に起因する第２の回折ピークを少なくとも有する第１の回折スペクトルを生成するため、前記サンプルから回折された前記Ｘ線を検知し、同時に、前記検知されたＸ線を角度の関数として解析するステップと、
前記第１と前記第２の回折ピークの分離を増大させるため、前記サンプルを前記焦点外に移動するステップと、
少なくとも前記第２の結晶層の特性を識別するため前記回折スペクトルを分析するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記集束ビーム内の前記Ｘ線は入射角の範囲に亘って前記サンプルに衝突し、
ここにおいて前記Ｘ線を検知するステップは、前記Ｘ線を非対称モードで検知するステップを有し、前記Ｘ線は前記サンプルから前記入射角とは異なる取り出し角で回折される、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の結晶層は前記第１の結晶層の上にエピタキシャルに積層され、前記回折スペクトルを分析するステップは、前記第２の結晶層の前記第１の結晶層に対する緩和を検知するステップを有する、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記Ｘ線の集束ビームは前記サンプルの表面のスポットに衝突し、
前記方法は、前記スポットの寸法を減少させるため、Ｘ線の一部をブロックするように前記スポットに隣接する位置にビームリミッタを配置するステップを有する、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記サンプルを移動するステップは、前記分離を前記サンプルの前記焦点からの距離の関数として測定するステップを有する、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記回折スペクトルを分析するステップは、前記第２の結晶層内のドーパントの集積を、前記分離の前記サンプルと前記焦点との距離に対する関数的依存性に基づいて発見するステップを有する、ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
分析の方法であって、
Ｘ線の集束ビームをエピタキシャル層がその上に形成されたサンプルの表面のスポットに、入射角の範囲に亘って衝突するように配向するステップと、
前記スポットの寸法を減少させるため、前記Ｘ線の一部をブロックするように前記スポットに隣接する位置にビームリミッタを配置するステップと、
非対称モードで前記スポットから回折された前記Ｘ線を検知し、
ここにおいて前記Ｘ線は前記サンプルから前記入射角とは異なる取り出し角で回折され、
同時に、回折スペクトルを生成するため検知されたＸ線を角度の関数として解析するステップと、
前記エピタキシャル層の特性を同定するため前記回折スペクトルを分析するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記ビームリミッタは、前記スポットの上方で前記表面と平行に配置されるナイフ端を有する、ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ビームリミッタは前記Ｘ線が貫通する通路に構成された穴を有し、前記スポットの寸法は前記穴の寸法により決定される、ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記入射角は微小角度の範囲内である、ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記取り出し角は微小角度の範囲内である、ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
分析の方法であって、
Ｘ線の集束ビームをエピタキシャル層がその上に形成されたサンプルの表面に配向するステップと、
１つの回折ピークと前記エピタキシャル層に起因する周辺スペクトルを有するスペクトルを生成するため、前記サンプルから回折された前記Ｘ線を検知し、同時に、前記検知されたＸ線を角度の関数として解析するステップと、
前記エピタキシャル層の緩和を測定するため前記周辺スペクトルの特性を分析するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２４】
前記特性を分析するステップは、前記周辺スペクトルの振幅を評価するステップを有し、ここにおいて前記振幅の減少は前記緩和の増加を示唆する、ことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記サンプルは結晶基板からなり、
前記集束ビームを配向するステップは、
基板回折ピークを含む角度範囲をブロックし、同時に、前記ブロックされた角度範囲に隣接する角度において前記周辺スペクトルの検知を促進するため、ビームブロッカを前記集束ビームの中に配置するステップを有する、
ことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
分析の方法であって、
Ｘ線の集束する単色の第１の波長の第１のビームを結晶サンプルの表面上の焦点に配向するステップと、
第２の波長の第２のビームを前記第１のビームに隣接し前記焦点の手前の位置においてブロックするステップと、
前記サンプルの回折スペクトルを生成するため、前記サンプルから回折されたＸ線を検知し、同時に、検知された前記Ｘ線を角度の関数として解析するステップと、
前記サンプルの特性を同定するため、前記回折スペクトルを分析するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２７】
前記第１のビームを配向するステップは、入射Ｘ線ビームを湾曲した結晶モノクロメータを使用して焦点を結ばせるステップを有し、前記モノクロメータは、前記第２のビームも生成する、ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
分析の方法であって、
Ｘ線の集束するビームを結晶サンプルの表面上の焦点に配向するステップと、
前記ビーム内のＸ線を前記ビームの角度範囲に亘る連続する入射角度で前記サンプルに入射させるため、前記集束するビームを横断してスリットをスキャンするステップと、
それぞれの入射角に対して回折データを生成するため、それぞれの入射角において、前記サンプルから回折された前記Ｘ線を検知し、同時に、前記検知されたＸ線を取り出し角の関数として解析するステップと、
前記サンプルからの逆格子回折空間マップを生成するため、前記入射角に対する前記回折データを前記角度範囲に亘って組み合わせるステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２９】
分析装置であって、
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源は、Ｘ線の集束するビームを、それぞれ異なる結晶特性の第１と第２の結晶層を持つサンプルの表面上に配向するように構成され、
それにより前記Ｘ線は前記サンプルから回折され、少なくとも前記第１の結晶層に起因する第１の回折ピークと前記第２の結晶層に起因する第２の回折ピークを有する回折スペクトルを生成し、
検知器組立体と、
前記検知器組立体は前記サンプルから回折された前記Ｘ線を検知し、一方検知されたＸ線を角度の関数として解析するように構成され、
ビームブロッカと、
前記ビームブロッカは、前記第１の回折ピークを含む角度範囲をブロックするため、前記集束ビーム内に配置されるように構成され、
処理装置と、
前記処理装置は、前記回折スペクトルに基づいて少なくとも前記第２の層の特性を同定するため、前記第１の回折ピークを含む前記角度範囲がブロックされている間に、前記検知器組立体の出力を受信し処理するように接続され、
を有することを特徴とする装置。
【請求項３０】
前記検知器組立体は、仰角の範囲に亘って同時にＸ線を捕捉し解析するように構成される要素を持つ検知器アレイを有する、ことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記仰角の範囲は少なくとも２°である、ことを特徴とする請求項３０に記載の装置。  
【請求項３２】
前記第２の結晶層は前記第１の結晶層の上にエピタキシャルに積層される、ことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３３】
前記第１の結晶層は半導体基板からなり、前記第２の結晶層はドープされた半導体からなる、ことを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記半導体基板はシリコンウェハからなり、前記第２の結晶層はＳｉＧｅエピタキシャル層からなる、ことを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記処理装置は、前記回折スペクトル内の前記第１の回折ピークの近傍に現れる周辺パターンを分析するように構成される、ことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３６】
前記ビームブロッカは、前記第１の回折ピークを含む角度範囲をブロックしないように位置決めされ、
前記処理装置は、前記第１の回折ピークの角度範囲を同定し、前記同定された角度範囲をカバーするために前記ビームブロッカの位置を移動させるため、前記第１の回折ピークを含む角度範囲がブロックされない時に、前記回折スペクトルを分析するように構成される、
ことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３７】
前記Ｘ線の集束ビームは焦点を持ち、
前記装置は動作機器を有し、
前記動作機器は、前記第１と前記第２の回折ピークの分離を増大させるため、前記サンプルを前記焦点外に移動させるように構成され、
前記ビームブロッカは、前記サンプルが焦点外にある時に前記第１の回折ピークがブロックされる位置に調整され、前記サンプルが前記回折スペクトルを生成するため焦点内に移動される時に前記位置を維持するように構成される、ことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３８】
前記Ｘ線源と前記検知器組立体は、非対称回折モードにおいて前記回折スペクトルを生成するように位置決め可能であり、前記非対称回折モードにおいて前記第１と前記第２の回折ピークの分離は、前記サンプルが前記焦点から外に移動するにつれて増加する、ことを特徴とする請求項３７に記載の装置。  
【請求項３９】
前記Ｘ線源はモノクロメータを有し、
前記集束するビームは、前記モノクロメータで生成される第１の波長の単色の第１のビームを有し、
ここにおいて前記第１のビームは前記サンプル上の焦点に集束し、
前記装置は、更なるビームブロッカを有し、
前記更なるビームブロッカは、前記モノクロメータにより第２の波長で生成された第２のビームを、前記第１のビームに隣接した焦点手前の位置でブロックするように構成される、ことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項４０】
分析装置であって、
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源は、Ｘ線の集束するビームを、それぞれ異なる結晶特性の第１と第２の結晶層を持つサンプルの表面上に配向するように構成され、
それにより前記Ｘ線は前記サンプルから回折され、少なくとも前記第１の結晶層に起因する第１の回折ピークと前記第２の結晶層に起因する第２の回折ピークを有する回折スペクトルを生成し、
検知器組立体と、
前記検知器組立体は、前記サンプルから回折された前記Ｘ線を検知し、同時に、検知されたＸ線を角度の関数として解析するように構成され、
動作機器と、
前記動作機器は、前記第１と前記第２の回折ピークの分離を増大させるため、前記サンプルを前記焦点外に移動するように構成され、
処理装置と、
前記処理装置は、前記サンプルが前記焦点外に移動されている間、前記回折スペクトルに基づいて少なくとも前記第２の層の特性を同定するため、前記検知器組立体の出力を受信し処理するように接続され、
を有することを特徴とする装置。
【請求項４１】
前記集束するビーム内のＸ線は前記サンプルに入射角の範囲に亘って衝突し、
前記Ｘ線源と前記検知器組立体は、非対称回折モードにおいて前記回折スペクトルを生成するように位置決め可能であり、
前記Ｘ線は前記サンプルから前記入射角とは異なる取り出し角で回折され、
前記処理装置は、非対称モードにおいて、前記サンプルが前記焦点外に移動されている時に、前記回折スペクトルを受信し分析するように構成される、
ことを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記第２の結晶層は前記第１の結晶層の上にエピタキシャルに積層され、
前記処理装置は前記第１の層に対する前記第２の層の緩和を前記回折スペクトルに基づいて測定するように構成される、ことを特徴とする請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記Ｘ線の前記集束するビームは前記サンプルの前記表面のスポットに衝突し、
前記装置はビームリミッタを有し、
前記ビームリミッタは、前記スポットの寸法を減少させるため、前記Ｘ線の一部を前記スポットに隣接する位置でブロックするように位置決め可能である、ことを特徴とする請求項４１に記載の装置。
【請求項４４】
前記処理装置は、前記第１と前記第２の回折ピークの分離を、前記サンプルの前記焦点からの距離の関数として測定するように構成される、ことを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４５】
前記処理装置は、前記分離の前記サンプルと前記焦点との距離に対する関数的依存性に基づいて、前記第２の層内のドーパントの集積を発見するように構成される、ことを特徴とする請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
分析装置であって、
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源は、Ｘ線の集束するビームをエピタキシャル層をその上に有するサンプルの表面のスポットに、入射角の範囲に亘って衝突するように配向するように構成され、それにより前記Ｘ線は前記サンプルから回折されて回折スペクトルを生成し、
ビームリミッタと、
前記ビームリミッタは、前記スポットの寸法を減少させるため、前記Ｘ線の一部を前記スポットに隣接する位置においてブロックするように構成され、
検知器組立体と、
前記検知器組立体は、非対称モードにおいて、前記スポットから回折された前記Ｘ線を検知するように構成され、
ここに前記Ｘ線は前記サンプルから前記入射角とは異なる取り出し角で回折され、
同時に、検知されたＸ線を角度の関数として解析し、
処理装置と、
前記処理装置は、前記回折スペクトルに基づいてエピタキシャル層の特性を同定するため、前記検知器組立体の出力を受信し処理するように接続され、
を有することを特徴とする装置。
【請求項４７】
前記ビームリミッタは、前記スポットの上方で前記表面と平行に配置されるナイフ端を有する、ことを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記ビームリミッタは前記Ｘ線が貫通する通路に構成された穴を有し、前記スポットの寸法は前記穴の寸法により決定される、ことを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項４９】
前記入射角は微小角度の範囲内である、ことを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５０】
前記取り出し角は微小角度の範囲内である、ことを特徴とする請求項４６に記載の装置。
【請求項５１】
分析装置であって、
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源は、Ｘ線の集束するビームを、その上に形成されたエピタキシャル層を持つサンプルの表面上に配向するように構成され、
それにより前記Ｘ線は前記サンプルから回折され、１つの回折ピークと前記エピタキシャル層に起因する周辺スペクトルを有する回折スペクトルを生成し、
検知器組立体と、
前記検知器組立体は、前記サンプルから回折された前記Ｘ線を検知し、同時に検知されたＸ線を角度の関数として解析するように構成され、
処理装置と、
前記処理装置は、前記周辺スペクトルの特性に基づいて前記エピタキシャル層の緩和を測定するため、前記検知器組立体の出力を受信し処理するように接続され、
を有することを特徴とする装置。
【請求項５２】
前記処理装置は、前記周辺スペクトルの振幅を評価するように構成され、ここにおいて前記振幅の減少は前記緩和の増加を示唆する、ことを特徴とする請求項５１に記載の装置。
【請求項５３】
前記サンプルは結晶基板からなり、
前記装置はビームブロッカを有し、
前記ビームブロッカは、基板回折ピークを含む角度範囲をブロックすると同時に前記ブロックされた角度範囲に隣接する角度で前記周辺スペクトルの検知を促進するため、前記集束するビーム内に配置可能である、  
ことを特徴とする請求項５１に記載の装置。
【請求項５４】
分析装置であって、
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源は、集束する単色の第１の波長の第１のＸ線ビームを、結晶サンプルの表面上の焦点に配向するように構成され、
ビームブロッカと、
前記ビームブロッカは、第２の波長の第２のビームを、前記第１のビームに隣接しかつ焦点の手前でブロックするために位置決めされるように構成され、
検知器組立体と、
前記検知器組立体は、前記サンプルから回折された前記Ｘ線を検知し、同時に、前記結晶サンプルの回折スペクトルを生成するため、検知されたＸ線を角度の関数として解析するように構成され、
処理装置と、
前記処理装置は、前記サンプルの特性を同定するため、前記回折スペクトルを受信し処理するように接続され、
を有することを特徴とする装置。
【請求項５５】
前記Ｘ線源は、
入力Ｘ線ビームを生成するように構成されたＸ線チューブと、
前記第１および前記第２のビームを生成する曲面の結晶モノクロメータと、
を有する、ことを特徴とする請求項５４に記載の装置。
【請求項５６】
分析装置であって、
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源は、集束するＸ線ビームを、結晶サンプルの表面上の焦点に配向するように構成され、
スリットと、
前記スリットは、前記ビーム内のＸ線を前記ビームの角度範囲に亘る連続する入射角度で前記サンプルに入射させるため、前記集束するビームに亘ってスキャンするように構成され、
検知器組立体と、
前記検知器組立体は、それぞれの入射角に対して回折データを生成するため、それぞれの入射角において前記サンプルから回折された前記Ｘ線を検知し、同時に前記検知されたＸ線を取り出し角の関数として解析するように構成され、
処理装置と、
前記処理装置は、
前記サンプルからの逆格子回折空間マップを生成するため、前記入射角に対する前記回折データを前記角度範囲に亘って組み合わせるように構成され、
を有することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にＸ線解析に関し、特に薄膜のＸ線測定に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線回折技術（ＸＲＤ）は物質の結晶構造の研究でよく知られた技術である。ＸＲＤでは、サンプルに単色Ｘ線ビームが照射され、回折ビームのピークの場所と強度が測定される。回折照射ビームの特徴的な回折角度と強度は調査対象のサンプルの格子面とこれらの面を占有する原子に依存する。ある波長λと格子間隔ｄに対して、Ｘ線ビームが格子面にブラッグ条件ｎλ＝２ｄ＊ｓｉｎθを満たす角度θで入射するとき，回折のピークは観測される。ここにｎは散乱次元である。ブラッグ条件を満たす角度θはブラッグ角度と呼ばれる。応力、固溶体、または他の影響による格子面のゆがみは、ＸＲＤスペクトルに識別可能な変化をもたらす。
【０００３】
ＸＲＤは、特に半導体ウェハ上のエピタキシャル薄膜の特性の測定に使用されて来た。Ｂｏｗｅｎ他は、非特許文献１において、高解像度ＸＲＤを使用したシリカゲル構造におけるゲルマニウム集積の測定法について記載しており、それはここに参照され、本発明に採り入れられる。
【０００４】
ＸＲＤはまた、サンプル表面の構造を観察するため微小角入射でも使用される。例えば特許文献２は、半導体ウェハ上のエピタキシャル層構造を解析するため斜め入射ＸＲＤを使用しており、それはここに参照され、本発明に採り入れられる。発明者は、非常に薄い表面と埋め込み半導体層の平面内格子パラメータと格子方向を画定するのにその技術を適用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許７，１２０，２２８
【特許文献２】米国特許７，５５１，７１９
【特許文献３】米国特許７，０７６，０２４
【特許文献４】米国特許申請公報２００１／００４３６６８
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｂｏｗｅｎ他著「回折と反射率によるＸ線度量衡学」ＵＬＳＩの特徴化と度量衡、国際会議２０００、（米国物理学会、２００１）
【非特許文献２】Ｇｏｏｒｓｋｙ他著「面内モザイクの微細焦点Ｘ線管による斜入射面内回折測定」結晶研究と技術  ３７：７（２００２），６４５−６５３頁
【発明の概要】
【０００７】
以下に記述される本発明の実施形態は、高解像度ＸＲＤ測定の感度と精度を向上させる方法とシステムを提供する。これらの方法とシステムは、特にエピタキシャル薄膜層の特性の測定に有用であるが、他のタイプの結晶構造を解析にも使用可能である。
従って本発明によれば、分析の方法であって、
Ｘ線の集束ビームをそれぞれ異なる結晶特性の第１と第２の結晶層からなるサンプルの表面に配向するステップと、
第１の結晶層に起因する第１の回折ピークと第２の結晶層に起因する第２の回折ピークを少なくとも有する第１の回折スペクトルを生成するため、サンプルから回折されたＸ線を検知し、同時に、検知されたＸ線を角度の関数として解析しステップと、
ビームブロッカを、第１の回折ピークを含む角度範囲をブロックするため、集束ビーム内に配置するステップと、
第１の回折ピークが少なくとも部分的にブロックされている時に、少なくとも第２の回折ピークを有する第２の回折スペクトルを生成するため、ビームブロッカが集束ビーム内に配置されている時に、サンプルから回折されたＸ線を検知するステップと、
少なくとも第２の結晶層の特性を識別するため、少なくとも第２の回折スペクトルを分析するステップと、
を有することを特徴とする方法、が提供される。
【０００８】
ある実施形態では、Ｘ線を検知するステップは、仰角の範囲に亘り同時にＸ線を捕捉し解析するように構成された、要素を持つ検知器アレイを配置するステップを有し、ここに、仰角の範囲は少なくとも２°である。
典型的には、第２の結晶層は第１の結晶層の上にエピタキシャルに積層される。ある実施形態では、第１の結晶層は半導体基板からなり、第２の結晶層はドープされた半導体からなり、半導体基板はシリコンウェハからなり、第２の結晶層はＳｉＧｅエピタキシャル層からなる。
ある実施形態では、少なくとも第２の回折スペクトルを分析するステップは、前記第２の回折スペクトル内の前記第１の回折ピークの近傍に現れる周辺パターンを分析するステップを有する。
【０００９】
ビームブロッカを配置するステップは、第１の回折ピークの角度範囲を同定するため、自動的に第１の回折スペクトルを分析するステップと、同定された範囲をカバーするため前記ビームブロッカを移動するステップと、を有する。
ある実施形態では、Ｘ線の集束ビームは焦点を持ち、
Ｘ線を検知し第１の回折スペクトルを生成するステップは、第１と第２の回折ピークの分離を増大させるため、サンプルを焦点外に移動させるステップを有し、
ビームブロッカを配置するステップは、サンプルが焦点外にある時にビームブロッカの位置を調整し、その後第２の回折スペクトルを生成するためサンプルを焦点内に移動させるステップを有する。Ｘ線を検知し第１の回折スペクトルを生成するステップは、サンプルを焦点外に移動させるステップと、少なくとも第１の回折スペクトルを非対称回折モードで捕獲するステップと、を有する。
【００１０】
本発明の１実施形態によれば、分析の方法であって、
焦点を有するＸ線の集束ビームをそれぞれ異なる結晶特性の第１と第２の結晶層からなるサンプルの表面に配向するステップと、
第１の結晶層に起因する第１の回折ピークと第２の結晶層に起因する第２の回折ピークを少なくとも有する第１の回折スペクトルを生成するため、前記サンプルから回折されたＸ線を検知し、同時に、検知されたＸ線を角度の関数として解析するステップと、
第１と記第２の回折ピークの分離を増大させるため、サンプルを前記焦点外に移動するステップと、
少なくとも第２の結晶層の特性を識別するため回折スペクトルを分析するステップと、
を有することを特徴とする方法、が提供される。
【００１１】
ある実施形態では、集束ビーム内のＸ線は入射角の範囲に亘ってサンプルに衝突し、ここにおいてＸ線を検知するステップは、Ｘ線を非対称モードで検知するステップを有し、Ｘ線は前記サンプルから入射角とは異なる取り出し角で回折される。ある実施形態では、第２の結晶層は第１の結晶層の上にエピタキシャルに積層され、回折スペクトルを分析するステップは、第２の結晶層の第１の結晶層に対する緩和を検知するステップを有する。Ｘ線の集束ビームはサンプルの表面のスポットに衝突し、
前記方法は、スポットの寸法を減少させるため、Ｘ線の一部をブロックするようにスポットに隣接する位置にビームリミッタを配置するステップを有する。
ある開示された実施形態では、サンプルを移動するステップは、分離をサンプルの焦点からの距離の関数として測定するステップを有する。回折スペクトルを分析するステップは、第２の結晶層内のドーパントの集積を、分離の前記サンプルと焦点との距離に対する関数的依存性に基づいて発見するステップを有する。
【００１２】
本発明の実施形態によればさらに、分析の方法であって、
Ｘ線の集束ビームをエピタキシャル層がその上に形成されたサンプルの表面のスポットに、入射角の範囲に亘って衝突するように配向するステップと、
スポットの寸法を減少させるため、Ｘ線の一部をブロックするように前記スポットに隣接する位置にビームリミッタを配置するステップと、
非対称モードでスポットから回折されたＸ線を検知し、
ここにおいてＸ線は前記サンプルから入射角とは異なる取り出し角で回折され、
同時に、回折スペクトルを生成するため検知されたＸ線を角度の関数として解析するステップと、
エピタキシャル層の特性を同定するため回折スペクトルを分析するステップと、
を有することを特徴とする方法、が提供される。
【００１３】
ある開示された実施形態では、ビームリミッタは、スポットの上方で表面と平行に配置されるナイフ端を有する。あるいは、ビームリミッタはＸ線が貫通する通路に構成された穴を有し、スポットの寸法は穴の寸法により決定される。典型的に入射角は微小角度の範囲内である。
【００１４】
本発明のある実施形態によればさらに、分析の方法であって、
Ｘ線の集束ビームをエピタキシャル層がその上に形成されたサンプルの表面に配向するステップと、
１つの回折ピークと前記エピタキシャル層に起因する周辺スペクトルを有するスペクトルを生成するため、サンプルから回折されたＸ線を検知し、同時に、検知されたＸ線を角度の関数として解析するステップと、
エピタキシャル層の緩和を測定するため周辺スペクトルの特性を分析するステップと、
を有することを特徴とする方法、が提供される。
ある実施形態では、特性を分析するステップは、周辺スペクトルの振幅を評価するステップを有し、ここにおいて振幅の減少は緩和の増加を示唆する。
別の実施形態では、サンプルは結晶基板からなり、
集束ビームを配向するステップは、
基板回折ピークを含む角度範囲をブロックし、同時に、ブロックされた角度範囲に隣接する角度において周辺スペクトルの検知を促進するため、ビームブロッカを集束ビームの中に配置するステップを有する。
【００１５】
本発明の実施形態によればさらに、分析の方法であって、
Ｘ線の集束する単色の第１の波長の第１のビームを結晶サンプルの表面上の焦点に配向するステップと、
第２の波長の第２のビームを第１のビームに隣接し焦点の手前の位置においてブロックするステップと、
サンプルの回折スペクトルを生成するため、サンプルから回折されたＸ線を検知し、同時に、検知された前記Ｘ線を角度の関数として解析するステップと、
サンプルの特性を同定するため、回折スペクトルを分析するステップと、
を有することを特徴とする方法、が提供される。
ある実施形態では、第１のビームを配向するステップは、入射Ｘ線ビームを湾曲した結晶モノクロメータを使用して焦点を結ばせるステップを有し、モノクロメータは、第２のビームも生成する。
【００１６】
本発明の実施形態によればさらに、分析の方法であって、
Ｘ線の集束するビームを結晶サンプルの表面上の焦点に配向するステップと、
ビーム内のＸ線を前記ビームの角度範囲に亘る連続する入射角度で前記サンプルに入射させるため、集束するビームを横断してスリットをスキャンするステップと、
それぞれの入射角に対して回折データを生成するため、それぞれの入射角において、サンプルから回折されたＸ線を検知し、同時に、検知されたＸ線を取り出し角の関数として解析するステップと、
サンプルからの逆格子回折空間マップを生成するため、入射角に対する回折データを角度範囲に亘って組み合わせるステップと、
を有することを特徴とする方法、が提供される。
【００１７】
本発明の実施形態によればさらに、分析装置であって、
Ｘ線源と、
Ｘ線源は、Ｘ線の集束するビームを、それぞれ異なる結晶特性の第１と第２の結晶層を持つサンプルの表面上に配向するように構成され、
それによりＸ線は前記サンプルから回折され、少なくとも第１の結晶層に起因する第１の回折ピークと第２の結晶層に起因する第２の回折ピークを有する回折スペクトルを生成し、
検知器組立体と、
検知器組立体はサンプルから回折されたＸ線を検知し、一方検知されたＸ線を角度の関数として解析するように構成され、
ビームブロッカと、
ビームブロッカは、第１の回折ピークを含む角度範囲をブロックするため、集束ビーム内に配置されるように構成され、
処理装置と、
処理装置は、回折スペクトルに基づいて少なくとも第２の層の特性を同定するため、第１の回折ピークを含む角度範囲がブロックされている間に、検知器組立体の出力を受信し処理するように接続され、
を有することを特徴とする装置、が提供される。
【００１８】
またさらに本発明の実施形態によれば、分析装置であって、
Ｘ線源と、
Ｘ線源は、Ｘ線の集束するビームを、それぞれ異なる結晶特性の第１と第２の結晶層を持つサンプルの表面上に配向するように構成され、
それによりＸ線はサンプルから回折され、少なくとも第１の結晶層に起因する第１の回折ピークと第２の結晶層に起因する第２の回折ピークを有する回折スペクトルを生成し、
検知器組立体と、
検知器組立体は、サンプルから回折されたＸ線を検知し、同時に、検知されたＸ線を角度の関数として解析するように構成され、
動作機器と、
動作機器は、第１と第２の回折ピークの分離を増大させるため、サンプルを焦点外に移動するように構成され、
処理装置と、
処理装置は、サンプルが焦点外に移動されている間、回折スペクトルに基づいて少なくとも第２の層の特性を同定するため、検知器組立体の出力を受信し処理するように接続され、
を有することを特徴とする装置、が提供される。
【００１９】
また本発明の実施形態によれば、分析装置であって、
Ｘ線源と、
Ｘ線源は、Ｘ線の集束するビームを、エピタキシャル層をその上に有するサンプルの表面のスポットに、入射角の範囲に亘って衝突するように配向するように構成され、それによりＸ線はサンプルから回折されて回折スペクトルを生成し、
ビームリミッタと、
ビームリミッタは、スポットの寸法を減少させるため、Ｘ線の一部をスポットに隣接する位置においてブロックするように構成され、
検知器組立体と、
検知器組立体は、非対称モードにおいて、スポットから回折されたＸ線を検知するように構成され、
ここにＸ線は前記サンプルから入射角とは異なる取り出し角で回折され、
同時に、検知されたＸ線を角度の関数として解析し、
処理装置と、
処理装置は、回折スペクトルに基づいてエピタキシャル層の特性を同定するため、検知器組立体の出力を受信し処理するように接続され、
を有することを特徴とする装置、が提供される。
【００２０】
さらに本発明の実施形態によれば、分析装置であって、
Ｘ線源と、
Ｘ線源は、Ｘ線の集束するビームを、その上に形成されたエピタキシャル層を持つサンプルの表面上に配向するように構成され、
それによりＸ線はサンプルから回折され、１つの回折ピークと前記エピタキシャル層に起因する周辺スペクトルを有する回折スペクトルを生成し、
検知器組立体と、
検知器組立体は、サンプルから回折されたＸ線を検知し、同時に検知されたＸ線を角度の関数として解析するように構成され、
処理装置と、
処理装置は、周辺スペクトルの特性に基づいてエピタキシャル層の緩和を測定するため、検知器組立体の出力を受信し処理するように接続され、
を有することを特徴とする装置、が提供される。
【００２１】
またさらに本発明の実施形態によれば、分析装置であって、
Ｘ線源と、
Ｘ線源は、集束する単色の第１の波長の第１のＸ線ビームを、結晶サンプルの表面上の焦点に配向するように構成され、
ビームブロッカと、
ビームブロッカは、第２の波長の第２のビームを、第１のビームに隣接しかつ焦点の手前でブロックするために位置決めされるように構成され、
検知器組立体と、
検知器組立体は、サンプルから回折されたＸ線を検知し、同時に、結晶サンプルの回折スペクトルを生成するため、検知されたＸ線を角度の関数として解析するように構成され、
処理装置と、
処理装置は、サンプルの特性を同定するため、回折スペクトルを受信し処理するように接続され、
を有することを特徴とする装置、が提供される。  
【００２２】
本発明の実施形態によれば、分析装置であって、
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源は、集束するＸ線ビームを、結晶サンプルの表面上の焦点に配向するように構成され、
スリットと、
スリットは、ビーム内のＸ線を前記ビームの角度範囲に亘る連続する入射角度で前記サンプルに入射させるため、集束するビームに亘ってスキャンするように構成され、
検知器組立体と、
検知器組立体は、それぞれの入射角に対して回折データを生成するため、それぞれの入射角においてサンプルから回折されたＸ線を検知し、同時に検知されたＸ線を取り出し角の関数として解析するように構成され、
処理装置と、
処理装置は、
サンプルからの逆格子回折空間マップを生成するため、入射角に対する前記回折データを角度範囲に亘って組み合わせるように構成され、
を有することを特徴とする装置、が提供される。
本発明は図面を参照した以下に記載の実施形態の詳細な説明により、より完全に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に基づく高解像度Ｘ線回折（ＨＲＸＲＤ）測定システムの概略側面図である。
【図２】本発明の実施形態に基づく図１のシステムの他の構成の概略側面図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態に基づくＨＲＸＲＤシステムの要素の鳥瞰図であり、ビームブロッカの使用を示す。
【図３Ｂ】本発明の他の実施形態に基づくＨＲＸＲＤシステムの要素の概略平面図であり、ビームブロッカの使用を示す。
【図４】本発明の実施形態に基づくビームブロッカの異なる位置で測定されたＨＲＸＲＤスペクトルを示すグラフである。
【図５Ａ】基板上の仮晶構造のエピタキシャル層の部分図である。
【図５Ｂ】基板上の緩和構造のエピタキシャル層の部分図である。
【図６】本発明の実施形態に基づく、エピタキシャル層の異なる緩和度におけるＨＲＸＲＤスペクトルを示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態に基づくサンプルの概略正面図であり、異なるビーム分散条件でのＸ線ビームのサンプルへの入射を示す。
【図８】本発明の実施形態に基づくＨＲＸＲＤシステムの要素の鳥瞰図であり、ビーム分散を制御するビームリミッタの使用を示す。
【図９】本発明の実施形態に基づく、ビームリミッタの部分図である。
【図１０】本発明の実施形態に基づく、ＨＲＸＲＤスペクトルの特性のサンプルの高さへの依存を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施形態に基づく、ＨＲＸＲＤ測定システムの概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に記述される本発明の実施形態は、高解像度Ｘ線回折（ＨＲＸＲＤ）を使用した結晶サンプルの解析に対する改善された方法とシステムを提供する。開示される実施形態はエピタキシャル薄膜層の特性の測定において改善された精度を提供し、特に半導体素子の生産をテストし監視するのに有用である。しかし本発明の概念は、他のタイプのサンプルの特性を解析するのにも同様に適用可能である。
【００２５】
ある実施形態では、Ｘ線の集束ビームがサンプルの表面に向けられ、サンプルは典型的に多重の結晶層を有する（例えば、ＳｉＧｅのようなエピタキシャルなドープ層が表面に形成されたシリコン基板）。検知器組立体は、それは典型的に検知器アレイを有するが、サンプルで回折されたＸ線を感知し、一方で感知したＸ線を角度の関数として分析する。検知器組立体はこのように回折スペクトルを獲得し、そのスペクトルは典型的に各層に起因するそれぞれの回折ピークを有し、また、周辺パターンのような、それより弱い特性も有することがある。ピーク間の分離は多くの場合、ＳｉＧｅ層でのゲルマニウムドーパントの集積のような、層の構成を示す。周辺パターンは結晶層構造の物理的寸法に関する情報を提供する。
【００２６】
サンプルの基板から立ち上がるピークのような、１つ又は複数の層に起因する回折ピークは、多くの場合強度が強く、強度の弱い特性を隠し又は流し去ってしまう。したがってある実施形態では、強い強度の回折ピークを含む角度範囲をブロックするため、集束ビームにビームブロッカが導入される。その結果の回折スペクトルは、上記の周辺パターンのような強度の弱い特性がはるかに高い精度で観測される。ビームブロッカの正確な配置を助長する方法を以下にのべる。
【００２７】
薄膜層の結晶構造がその下の基板（又は他の層）との配列から外れるエピタキシャル層の緩和は、これらの層を含む半導体素子において不良の原因となりうる。したがって緩和を検知し、必要な場合工程調整を行い、その後生産されるウェハにおいて緩和を減少させることが重要である。本発明のある実施形態では、斜め入射非対称ＨＲＸＲＤが緩和の測定に使用される。他の実施形態では、回折スペクトルの周辺スペクトルの強度が緩和の測定値を提供する。典型的に、周辺スペクトル強度の減少は緩和の増加を示唆する。
【００２８】
通常は、Ｘ線源とサンプルはＸ線の集束ビームがサンプル上の１点に焦点を結ぶように配置される。しかし出願人らは、非対称モードでの操作においてサンプルを焦点から移動させることは、回折スペクトルのピークの間の分離を増加させることを発見した。（非対称モードでは、Ｘ線は入射角とは異なる取り出し角でサンプルから回折され、これは入射角と取り出し角が同一の対称モードとは対照的である。）従ってある実施形態では、第２のピークとスペクトル内の他の強度の弱い特性のより正確な測定ため、サンプルは意図的に焦点から外れて配置される。さらに、サンプルの焦点からの距離の関数としてのピークの間の相対的変位は測定可能で、層内のドーパントの集積のような、サンプル上のエピタキシャル層に関する有用な情報を提供する。
【００２９】
さらにあるいは、サンプルが焦点外にあり、回折ピークが遠く離れている時、ビームブロッカは、基板ピークのような強度の強いピークをブロックするように精度よく位置決めされることが可能であり、そののちサンプルは焦点に戻されうる。
【００３０】
非対称モードでは、Ｘ線ビームはサンプルに微小角度で入射され、或いはＸ線ビームは微小角度で検知されうる。本出願の記載において、「微小角度」とはサンプル表面に近い角度を意味し、典型的には表面から１０°以内である。微小角度計測は、サンプル表面に平行でない結晶面からの回折を検知するのに有用であり、また例えばエピタキシャル層の緩和の測定に使用可能である。しかしこの方法は、回折が検知されるスポット領域はビーム軸に沿って横長となり、小さな特性に関する回折測定が結果的に歪められる、という欠点がある。この欠点を克服するため、ある本発明の実施形態では、Ｘ線ビームのある部分をブロックするビームリミッタがサンプル上のスポットに隣接して配置される。ビームリミッタは、スポットのビーム軸に沿った寸法を減少させ、それにより測定精度を向上させることができる。
【００３１】
（システムの記述）  
図１は、本発明の実施形態に基づくサンプル２２の高解像度Ｘ線回折（ＨＲＸＲＤ）のためのシステム２０の概略側面図である。以下に記載される実施形態では、サンプル２２はシリコンウェハであり、その上にエピタキシャル層が堆積し、システム２０のＨＲＸＲＤ能力はエピタキシャル層の特性を解析するのに適用される。しかし、他の実施形態では、システム２０は他のタイプの結晶サンプルの解析に使用されうる。さらにあるいは、システム２０は、Ｘ線反射測定（ＸＲ）やＸ線蛍光（ＸＲＦ）、小角度Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）のような、他のタイプのＸ線測定を実行するように構成されうる。これらは特許文献１に開示され、その開示内容はここに参照され本発明に採り入れられる。
【００３２】
システム２０において、サンプル２２は、サンプルの正確な位置と方向決めを可能にする可動ステージ２４のような可動装置に搭載される。あるいはさらに、可動装置は変位しシステム内の他の要素をサンプルに対し調整する。Ｘ線源２６は集束Ｘ線ビームをサンプル２２のスポット３２上に配向する。一般的にＸ線源２６とステージ２４は、ビーム３０の焦点がサンプル表面のスポット３２に正確に位置するように調整される。しかし、場合によっては、（以下で詳述するように）サンプルの高さ（Ｚ軸）はビーム焦点から外される。検出器組立体３６はサンプルから回折されたＸ線の分散ビーム３４を検知する。
【００３３】
典型的にＸ線源２６は、ビーム３０の焦点を結びかつ単色化する適切な光学系を有するＸ線チューブ３８からなる。ビーム３０は、典型的に少なくとも２°の角度をなし、またサンプルを幅広い角度幅で照射するため、光学系により４°またはそれ以上の角度をなす。光学系４０は、例えば、チューブ３８からの入力ビームの焦点を結びかつ単色化する、曲面の結晶モノクロメータを有してもよい。本文で使用されるＸ線チューブと光学系のさらに詳細な説明は上記特許文献１および２に記載され、又さらに、ここに参照され採り入れられる特許文献３に記載されている。
【００３４】
検出器組立体３６は、典型的にＣＣＤアレイのような検出器アレイ４２を有し、検出器アレイは、ビーム３４を仰角θの関数として分析するように構成された多重検出器要素を有する。このタイプの検出器組立体はまた、上記特許文献１−３に記載されている。典型的にはアレイ４２の角度スパンは、ビーム３０の角度スパンに類似する、即ち最低でも２°で場合によって４°またはそれ以上の範囲である。ビームブロッカ４８及びビームリミッタ５０（ナイフの刃のような）及び／又は他の光学要素が、ビーム３０及び／又はビーム３４を制限し、また望ましくない散乱照射をブロックするため、使用可能である。この散乱照射はブロックされないとアレイ４２に当り回折測定に干渉する。ビームブロッカ４８に垂直方向に向いたもう１つのビームブロッカ４９は、不望の照射波長をブロックするため使用される。ＨＲＸＲＤ測定を向上させるためのこれら要素の使用は以下に詳述される。
【００３５】
Ｘ線源２６と検出器組立体３６の位置は動作組立体４４，４６によりそれぞれ制御される。簡略した図１において、動作組立体は、Ｘ線源と検出器組立体を適切な仰角に、典型的には解析される層のブラッグ角度の近傍に、配置する曲線軌道を有する。あるいは当業者にとって明白な他の適合する動作組立体が使用されてもよい。図１の例では、回折パターンを形成する格子面はサンプル２２の表面にほぼ平行であり、ビーム３０とビーム３４により画定される表面に対する入射角と取り出し角は、共にブラッグ角であると仮定する。（この仮定はシリコンウェハのような半導体基板、およびその基板上に成長するエピタキシャル層に対して多くの場合当てはまる。）或いは、Ｘ線源２６と検出器組立体３６は、サンプル２２の表面に平行でない格子面からの回折を測定するため、
例えば図２に示されるように異なる入射角と取り出し角となるように配置されてもよい。
【００３６】
ある典型的な実施形態では、上記のように、ステージ２４はサンプル２２の高さ（Ｚ軸）及びサンプル上のスポット３２の範囲内にあるＸ−Ｙ位置を移動し、また、サンプルのビーム３０に対する方位角Φと入射角を回転するように構成される。（図１に示すように、サンプル表面をＸ−Ｙ平面とし、Ｚ軸はサンプル表面に垂直である。θはＺ軸に対する仰角である。ΦはＺ軸周りの回転の方位角である。）さらにあるいは、これらの位置と角度の調整は、Ｘ線源や検出器組立体のような、システム２０の他の要素を移動または調整しても達成される。
【００３７】
信号処理装置５２は、サンプル２２で回折されたＸ線粒子の流束のスペクトル５４を、仰角θの関数として、所与のエネルギー又はエネルギー範囲において、測定するため、検出器組立体３６の出力を受信し解析する。典型的には、仰角の関数としてのスペクトル５４は、表面層及びその下方の層とサンプル基板による回折効果に特徴的な構造を示す。信号処理装置５２は、組成、格子ストレイン（或いは、等価的に緩和）及び／又は所与の層の格子傾斜角、のような、１つ以上のサンプルの層の特性を識別するため、以下に記述する解析手法を使用して、角度スペクトルを解析する。
【００３８】
上述したように、システム２０の構成要素及びここに記載される技術は、Ｘ線反射測定や散乱測定のような、他のタイプの計測機能性を提供するために使用可能である。さらにあるいは、これらの構成要素及び技術は、半導体ウェハ製造システムのような、生産システムにおける工程監視装置として統合されてもよい。例えば本発明の他の実施形態では、（図示されないが）システム２０の構成要素は半導体ウェハ製造装置と統合されて、現場での検査を提供する。典型的には、製造装置は、周知のように、ウェハ上に薄膜を形成する成膜装置を含む真空チャンバを有する。チャンバはＸ線窓を有し、それはここに参照され、採り入れられる特許文献４に記載されている。Ｘ線源組立体２６は１つの窓経由でウェハ上のスポット３２を照射し、そして検出器組立体３６は他の１つの窓経由で散乱Ｘ線を受け取る。他の実施形態では、システム２０は生産の各工程を実施する他の基地に沿った、クラスター装置の中の１つの基地として構成されてもよい。
【００３９】
図２は、本発明の実施形態に基づく他の非対称構成の概略側面図である。この場合、Ｘ線源２６はサンプル２２を微小角度、例えばサンプル表面から８°の中央ビーム軸で、照射するように動作組立体４４により位置決めされる。動作組立体４６は、サンプル表面に平行でない格子面からのブラッグ回折を捕捉するため、検出器組立体３６を大きな角度、例えば７９°、に配置する。この構成は、結晶格子のセル間の間隙をサンプル表面に平行な方向に沿って測定するのに有用であり、従ってエピタキシャル層の緩和の評価に使用可能である。（以下の図５Ａ、５Ｂに示されるように）
【００４０】
他の実施形態では、図示されないが、ビーム３０はサンプル表面を大きな角度で照射し、一方検出器組立体３６はサンプルから回折されたＸ線を捕捉するため微小角度に配置されてもよい。
【００４１】
（ビームブロッカの使用による解像度の向上）
図３Ａは、本発明の実施形態に基づくＨＲＸＲＤシステム２０の要素の鳥瞰図であり、ビームブロッカ４８の使用を示す。デフォルト位置では、ビームブロッカは図１に示すように引っ込んでいて、入射ビーム３０に衝突しない。しかし場合によっては、ビーム内のある角度範囲をブロックすることは有利である。ビームブロッカ４８は図３Ａに示すように範囲の上方部分をブロックするように配置されるか、又は下方部分をブロックするように配置される。回折されたビームの対応する角度の範囲も同様にカットされ、又は少なくとも減衰される。このビームブロッカの使用は、回折ビームのダイナミックレンジを減少させ、そうしなければ洗い落とされてしまうような強度の弱い特性の検知を促進するため、回折スペクトルの強度の強い成分を減衰するのに有用である。
【００４２】
図３Ｂは、本発明の他の実施形態に基づくＨＲＸＲＤシステム２０の要素の概略平面図であり、ビームブロッカ４９の使用を示す。Ｘ線チューブ３８は典型的に多重のＸ線波長を放射し、それらはＣｕ  ＫａｌやＫａ２波長のように、接近している。光学系４０（この図では湾曲した結晶モノクロメータとして示されるが）近傍の放射線を完全には除外しない。このようにこの例では、ビームがＣｕ  Ｋａｌ線を有する時、光学系４０はまたＸ線チューブ３８からのＣｕ  Ｋａｌ線を隣接するビーム５６の中に焦点を結ばせる。システム２０の典型的な構成においては、ビーム５６の焦点はビーム３０の焦点よりほんの少しだけ、１ｍｍより小さい距離だけ、場合によっては０．２ｍｍより小さくずれている。（図では焦点のずれは明確化のため誇張されている。）散乱されたＣｕ  Ｋａ２放射は検出器組立体３６に到達しＨＤＸＲＤ測定に干渉する。
【００４３】
ビームブロッカ４９はこの問題の解決に使用可能である。このビームブロッカは、例えば、垂直（Ｚ）方向に向いた金属ナイフ端を有する。ナイフ端は図３Ｂに示すように、ビーム５６をブロックするように焦点の２−３ｍｍ手前に配置される。ビーム５６はこの位置では十分にビーム３０から分離されており、
従ってビームブロッカ４９は所望のビーム３０を途中捕捉しない。
【００４４】
図４は、本発明の実施形態に基づくビームブロッカ４８の異なる位置で測定されたＨＲＸＲＤスペクトルを示すグラフ６０である。ビームブロッカがビーム３０から離されている、ブロックされないスペクトル６２は、検査対象ウェハのシリコン基板からのブラッグ回折により、基板ピーク６４が卓越している。
この例では、ＳｉＧｅエピタキシャル層が基板上に形成され、スペクトル６２はＳｉＧｅ層からのブラッグ回折による副ピークを有する。（ピーク６４とピーク６６の角度の差異はＳｉＧｅ内のゲルマニウムドーパントの集積を表わす）ピーク６４とピーク６６の間の中間の角度領域における周辺スペクトル構造７０は、ピーク６４からこの領域への放射の広がりのため、スペクトル６２では見ることが困難である。
【００４５】
この問題を解決するため、スペクトル６２でピーク６４の位置が確定された後、ビームブロッカ４８が入射ビーム３０の対応する角度範囲をブロックするように配置される。ビームブロッカは、周辺スペクトル構造７０を有する中間領域のブロックを最小化するように正確に位置決めされる。その結果の図４のスペクトル６８では、ピーク６４は大幅に縮小され、従って周辺スペクトル構造の解像度は向上する。この周辺スペクトル構造の期間と強度はエピタキシャル層の寸法に関する価値ある情報を提供する。
【００４６】
ある実施形態では、信号処理装置５２はスペクトル６２に基づいてビームブロッカ４８を制御する。信号処理装置はピーク６４の場所と幅を探すためスペクトルを分析する。その後信号処理装置はピーク６４を減衰させるためビームブロッカの望ましい位置を計算し、それに従ってビームブロッカに制御信号を出力する。ビームブロッカは典型的にリニアエンコーダ付きのモータのような、動作制御装置を有し、それは駆動されてビームブロッカを信号処理装置５２からの信号に従って位置決めする。図１と図３Ａにおいては、ビームブロッカは対称回折モードで図示されているが、ビームブロッカは、同じ目的のため図２にしめされた非対称モードにおいても、同様に使用することができる。
【００４７】
（エピタキシャル層の緩和の測定）
図５Ａと図５Ｂは基板７４の上にエピタキシャル層７６が形成されるサンプル７２と７８の断面図をそれぞれ示す。エピタキシャル層７６は、例えば、シリコン基板上に形成されたＳｉＧｅの薄膜からなってもよい。ゲルマニウムドーパントの添加により、エピタキシャル層７６内の単位セル７７の体積は基板７４の単位セルの体積より大きくなる。（差異は明確化のため誇張されている）サンプル７２では、層７６は仮晶であり、即ち、層７６内の単位セルは下にある層７４のセルとのアラインメントを維持するため緊張を与えられている。  しかしサンプル７８では、層７６のセル７７は立方体構造に緩和されていて、下にある層７４のセルとのアラインメントを失っている。この種の緩和は、製造工程における不適切な設定の結果であるが、このウェハから製造される半導体デバイスに欠陥をもたらす。従ってエピタキシャル層の緩和を監視し、緩和が検知されたときに製造工程を適切に調整することが重要である。
【００４８】
緩和を監視する１つの方法は、非対称モードにおいて、基板と当該層に起因する回折ピークの相対位置の変化を測定することである。より正確な結果をもたら他の方法としては、回折スペクトルの周辺スペクトル構造を解析することである。
【００４９】
図６は本発明に基づく、周辺スペクトル構造上のエピタキシャル層の緩和の効果を示すＨＲＸＲＤスペクトル８０、８２、８４を示すグラフである。スペクトルはシリコン基板上に形成されたＳｉＧｅ層から対称モードで計測された。基板に起因する強い強度のピークは、上記のように、これらスペクトルからブロックされている。
【００５０】
スペクトル８０は、十分に緊張されたＳｉＧｅ層から得られた。−０．５５°とー０．８５°との間の周辺スペクトルは明確に見えて、１００カウントのオーダーの大きな振幅を有する。一方、十分に緩和された層（ＳｉＧｅ層の単位セルと下にあるシリコン基板の単位セルとの間の寸法変位が約６．６％）から得られたスペクトル８４には全く目視可能な周辺スペクトルが存在しない。その中間の事例であるスペクトル８２では、ＳｉＧｅ層は緩やかに緩和され（寸法変位が約３％）、周辺スペクトルは目視出来るが、振幅は遥かに減少している。
【００５１】
これらの発見に基づき、信号処理装置５２は、エピタキシャル層の緩和の度合いを計算するため、ＨＲＸＲＤスペクトルの周辺スペクトルの振幅を分析してもよい。周辺スペクトルの振幅は、スペクトルのパラメータのモデルへの適合により抽出されてもよい。その結果の適合パラメータは層の緩和の正確な指標となる。周辺スペクトルの期間はエピタキシャル層の厚みを示している。
【００５２】
（非対称モードでの測定精度の向上）
図７，８は本発明に基づく、システム２０における非対称モードのＨＲＸＲＤにおいてビームリミッタの使用を示す。図７はサンプル２２の拡大平面図であり、Ｘ線ビーム３０により形成されるスポット３２及びスポットの範囲での  ビームリミッタ５０の効果を示す。図８はシステム２０の構成要素の鳥瞰図であり、サンプル上のスポット範囲を制御するため、ビームリミッタ５０がいかにビーム３０に挿入されるかを示す。図８では入射ビーム３０がサンプル２２に微小角度で衝突する構成を示すが、回折ビームがサンプルから微小角度で離反する他の構成においても、ビームリミッタは同様に使用可能である。その他の構成ではビームリミッタは、効果の感度が鋭敏でなくなるという問題点があるが、その構成においてもスポット範囲を制限することが望ましい。
【００５３】
図７においてエピタキシャル層は、サンプル２２の表面上の小さなパッド９０として形成される。ビーム３０の入射角が微小なため、スポット３２はパッド９０をカバーし、またさらにエピタキシャル層でカバーされない大きな基板上の面積をカバーする。スポット３２とパッド９０の不適合は以下の少なくとも２つの結果をもたらす。
１）基板に起因するＨＲＸＲＤスペクトルの強い強度のピーク（図４のピーク６４）は、エピタキシャル層に起因するピーク６６やその他のスペクトル構造に比較して増大する。
２）スポット３２の中心に対するパッド９０の変位は、ＸＲＤスペクトルにおいてエピタキシャル層ピーク６６と基板ピーク６４との明確な角度分離を歪める。
【００５４】
この問題を軽減するため、ビームリミッタ５０がスポット３２の上方でビーム３０に挿入される。例えばビーム制限にナイフ端が使用される場合、図８に示すように、ナイフ端はサンプル２２表面から僅かの距離上方に下がられ、ビーム３０の上側部分をブロックし、またビーム３０の下側部分に起因する回折線をブロックする。代表的な構成では、ナイフ端はサンプル表面から１５ミクロン上方に配置される。しかし用途の必要性によっては、それより大きい又は小さい距離が使用されてもよい。ビームリミッタの結果、照射ビームの実効寸法は減少され、検出器組立体３６は減少されたスポット９２からのみ回折Ｘ線を受けとる。この例のスポット９２の寸法はＹ方向（ビーム３０の軸線のサンプル表面への投影の方向）に減少され、スポット９２はほぼ全体がパッド９０の上に収まる。結果として、エピタキシャル層ピーク６６の相対強度は回折スペクトルにおいて増大され、エピタキシャル層ピーク６６と基板ピーク６４との分離の歪みは除去される。
【００５５】
図９は本発明に基づくビームリミッタ９４の断面図である。この実施形態ではビームリミッタは、例えば、図に示すように、金属の円筒形状または他の適切な形状の棒から作られる。ロッドを貫通する穴９６は、ビーム３４の回折Ｘ線が検出器組立体に到達することを許容される領域を幾何学的に制限することにより、スポット３２の実効寸法を減少させる。入射ビーム３０は、８°のような微小角度でビームリミッタ９４の下方においてサンプル２２に衝突し、一方回折ビーム３４は角度７４°でサンプルを離反し穴９６を貫通する。ビームリミッタは直径約０．４ｍｍで、約４０ミクロンの直径の穴を有するが、所望の空間解像度によってはそれより大きい又は小さい穴であってよい。
【００５６】
ビームリミッタ９４は、サンプル２２が大きな角度で照射され回折ビームが微小角度で検出される非対称微小角度出口モードにおいても、同様に使用可能である。この場合ビームリミッタは入力ビーム３０に対して配置され、入射Ｘ線は穴９６を貫通し、Ｘ線が回折されるスポットを画定し制限する。
【００５７】
図１０は本発明の実施形態に基づく、ＨＲＸＲＤスペクトルの特性がサンプルの高さに依存することを示すグラフである。このグラフにおいてデータ点９８は、シリコンウェハの高さ（Ｚ軸）の関数として非対称モードにおいて測定された、ＳｉＧｅのエピタキシャル層に起因するエピタキシャル層ピーク６６と基板ピーク６４との分離（図４に示す）に対応する。Ｚ軸は図１，２に示すように、サンプル表面に直角な方向に向けられ、ステージ２４により制御される。Ｚ軸の変更によりサンプル表面は入射ビーム３０の焦点に入ったり出たりする。しかし図７に示し上述した一種のスポットずれに起因するピーク分離の変化を防止するため、スポットの横方向（Ｙ軸）位置は実際上ウェハ上で一定に保たれる。ウェハ表面がビーム焦点から外れる（図１０においてＺ軸値が小さくなる）に従い、エピタキシャル層ピーク６６と基板ピーク６４との明確な分離は増大する。増大量は、データに適合する直線１００で示すように、焦点からのズレの距離（即ちＺ軸値）に直線比例する。
【００５８】
図１０に示す現象は多くの有益な用途をもたらす。これらの用途のため、直線１００のパラメータは既知の特性を有する１つ以上のサンプルを使用して事前に目盛を定められていてもよい。例えば、直線の傾斜と切片は、異なる既知のドーパント集積と緩和度合いのエピタキシャル層を有するサンプルを使用して目盛を定められていてもよい。異なるサンプル高さのＨＲＸＲＤピーク分離は、その後検査対象の１つのサンプルについて測定され、サンプル特性−エピタキシャル層のドーパント集積と緩和度合いは、高さの関数としてのピーク分離の傾斜（及び場合によって切片）に基づき確認することができる。あるいは、ドーパント集積を測定するため、ピーク分離は対称モード（そこではピーク分離はサンプル高さに感応しない）で最初に測定され、非対称モードでの高さによるピーク分離の変化は、緩和を測定するのに使用することが出来る。
【００５９】
他の実施形態では、非対称モードのサンプルはエピタキシャル層ピーク６６と基板ピーク６４間の分離を増大させるため、意図的に入射ビームの焦点外の高さに配置される。ピーク間の距離を増大させることは、ピークの間の中間層にある周辺スペクトル構造７０のような、エピタキシャル層に随伴する細かい詳細の可視度を増大させるために有益である。
【００６０】
さらに他の実施形態では、サンプル２２が焦点外に移動された時の増大したピーク分離は、ビームブロッカ４８の位置決めを促進するのに使用できる（図３Ａに示すように）。ビームブロッカは基板ピーク６４をブロックするようにサンプルの焦点外位置に精密に位置決めされ、ピーク６４は完全にブロックされ、一方ピーク近くのスペクトル構造は最小限にブロックされる。その後サンプルは焦点位置に戻され、一方入射ビーム３０に対するビームブロッカの位置は不変である。この工程は信号処理装置５２の制御のもと、自動的に実行可能である
【００６１】
（逆格子空間マッピング）
図１１は、本発明の他の実施形態に基づくＨＲＸＲＤ測定用システム１００の側面図である。システム１００はシステム２０に殆どの点で類似している。図１１の特徴は、場合によってはシステム２０に統合されうる。従って以下の記述は逆格子空間マッピング（ＲＳＭ）の作成に使用されるシステム１００の特定の構成要素及びこの目的のための使用方法に焦点をあてられる。ＲＳＭは既存技術で周知の技術であり、例えば、ＷｏｉｔｏｋとＫａｒｃｈｅｎｋｏ著「ファースト逆格子空間マッピングに向けて」Ｘ線分析の進歩  ４８、１６５−１６９頁に記載されており、それはここに参照され、採り入れられる。しかし図１１に示される実施形態は、精密な空間解像度（６０ミクロンのオーダーの）と高速なデータ収集という利点を提供する。
【００６２】
この実施形態では、Ｘ線方向に向くスリット１０２は、集束ビーム３０を狭い角度範囲に制限する。精密モータ駆動のようなスキャン機構１０４は、ビーム３０を横切ってスリットをスキャンする。このように、ビーム３０の角度範囲内の入射角の連なりの其々は、図１の実施形態のように全角度範囲を一度にサンプリングするのではなく、個別にサンプリングされる。各入射各に対し、検出器組立体３６は、検知器アレイ４２が受けたビーム３４の回折Ｘ線強度を角度の関数として、取り出し角度全体に亘って感知する。
【００６３】
このように、信号処理装置５２はそれぞれの入射／取り出し角度のペアに対する測定された回折強度を含む、３次元（３Ｄ）のデータ組を収集する。信号処理装置５２はこれらのデータを、逆格子空間マッピングとして知られる３次元グラフに表示してもよい。この種の表示法は、サンプル２２の表面が幾何学的に歪められた場合のようなあるタイプの複合結晶構造の解析に有益である。
【００６４】
上記の方法は明確化のため、特にシステム２０の構成要素と、あるタイプのシリコンウェハサンプルと、エピタキシャル層に関しているが、これらの方法の概念は他のタイプのサンプルや他のＨＲＸＲＤシステム構成にも同様に適用可能である。上記の実施形態は例示として引用され、本発明は上記で特に図示され記述されたものに限定されない。むしろ本発明の範囲は、上記に記載された種々の特徴の組合せ及びサブ組合せ及び、当業者が上記記載を読んだ時に想到される、従来技術にない本発明の変化形や修正形を含む。
【符号の説明】
【００６５】
２０：システム      ２２：サンプル      ２４：可動ステージ
２６：Ｘ線源        ３０：ビーム        ３２：スポット
３４：ビーム        ３６：検出器組立体  ３８：Ｘ線チューブ
４０：光学系        ４２：検出器アレイ  ４４，４６：動作組立体
４８，４９：ビームブロッカ              ５０：ビームリミッタ
５２：信号処理装置
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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