(57)【要約】【課題】埋め込み材の密度を高い精度で測定することができる計測装置および計測方法を提供する。【解決手段】実施形態の計測装置は第１および第２の算出手段を持つ。前記基体は、その主面に水平な方向に第１の材料で構成された周期構造と、前記周期構造間に第２の材料で構成され加工プロセスに応じて深さ方向に体積が変化する膜構造とを有する。前記第１の算出手段は、前記基体に電磁波を照射して、散乱されまたは反射した電磁波の強度信号を処理して第１の反射率プロファイルを作成し、シミュレーションによる第２の反射率プロファイルと前記第１の反射率プロファイルとのフィッティングにより、前記周期構造および前記膜構造を単一の混合層と見なして設定された解析モデルの膜厚および密度を算出する。前記第２の算出手段は、前記周期構造の断面形状、並びに、前記算出された膜厚および密度から、前記所定の加工プロセスにより体積が変化した後の前記第２の材料の密度を算出する。【選択図】図１
2015011024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その主面に水平な方向に第１の材料で構成された周期構造と、前記周期構造の間に前記第１の材料とは異なる第２の材料で構成され所定の加工プロセスに応じて深さ方向に体積が変化する膜構造とを備える基体に電磁波を照射して、散乱されまたは反射した電磁波の強度信号を処理して第１の反射率プロファイルを作成し、シミュレーションにより予め準備された第２の反射率プロファイルと前記第１の反射率プロファイルとのフィッティングにより、前記周期構造および前記膜構造を単一の混合層とみなして設定された解析モデルの膜厚および密度を算出する第１の算出手段と、
前記周期構造の断面形状、並びに、前記算出された膜厚および密度から、前記所定の加工プロセスにより体積が変化した後の前記第２の材料の密度を算出する第２の算出手段と、
を備える計測装置。
【請求項２】
前記基体に電磁波を照射して、散乱されまたは反射した電磁波の検出信号を処理して第１の散乱プロファイルを作成し、シミュレーションにより予め準備された第２の散乱プロファイルと前記第１の散乱プロファイルとのフィッティングにより、前記周期構造の断面形状を算出する形状算出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記プロセスは、前記周期構造のスペースを前記第２の材料で埋め込むプロセスと、エッチングにより前記第２の材料の一部を除去して前記膜構造を形成するプロセスと、を備え、
前記第１の材料の密度をＭＤ１、前記第２の材料の前記埋め込み後における密度をＭＤ２、前記加工により減少した前記第２の材料の体積をＶＤ２、前記解析モデルの前記混合層の密度をＤａ１、前記周期構造の体積のうち、前記加工により減少した前記第２の材料に対応する部分の体積をＶＤ１とし、Ｒｖ１＝（ＶＤ１／ＶＤ２）とすると、前記第２の算出手段は、次式
Ｄａ１＝（ＭＤ１×Ｒｖ１＋ＭＤ２／（Ｒｖ１＋１）                ・・・式（２）
から前記ＭＤ２を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記プロセスは、前記周期構造のスペースをメッキにより前記第２の材料で埋め込むプロセスを備え、  
前記第１の材料の密度をＭＤ３、前記埋め込まれた膜構造の前記第２の密度をＭＤ４、前記膜構造の前記第２の材料の体積をＶＤ４、前記解析モデルの前記混合層の密度をＤａ２、前記周期構造の前記膜構造に対する体積比をＲｖ２とすると、前記第２の算出手段は、次式
Ｄａ２＝（ＭＤ３×Ｒｖ２＋ＭＤ４）／（Ｒｖ２＋１）              ・・・式（４）
用いて前記ＭＤ４を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
【請求項５】
第１の材料で形成された水平方向の周期構造と、前記第１の材料とは異なる第２の材料で前記周期構造を埋め込む工程により形成された深さ方向の膜構造とを備える基体に対し、入射角度の仰角成分を変えながら電磁波を照射する工程と、
電磁波の照射により前記基体によって反射される電磁波の強度を測定する工程と、
前記周期構造および前記膜構造を単一の混合層と見なして解析モデルを設定する工程と、
測定された強度から第１の反射率プロファイルを作成し、シミュレーションにより予め準備された第２の反射率プロファイルと前記第１の反射率プロファイルとのフィッティングにより、前記設定された解析モデルの膜厚および密度を算出する工程と、
前記第２の材料の体積を減少させる加工が施された基体に対し、前記周期構造の表面形状を測定する工程と、
前記第１の材料の密度、前記測定された表面形状、並びに前記算出された膜厚および密度から前記第２の材料の前記加工後における密度を算出する工程と、
を備える計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、計測装置および計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路は、高性能化の達成のために、回路パターンの微細化が進行している。回路パターンの微細化に伴い、回路パターンの計測に要求される精度は厳しさを増している。
【０００３】
微細化を達成するために、形状の計測だけでなく材料のパラメータに関しても管理が要求されている。特に、トレンチに埋め込まれた材料の密度は、後の工程での形状に影響するため、これに対する計測の要求が高くなっている。
【０００４】
トレンチに埋め込まれた材料は応力により密度も変わるため、既に埋め込まれた状態でのモニタでなければ意味をなさない。
【０００５】
しかしながら、埋め込まれた状態での材料の密度を測定する技術は未だ提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−２１８３９号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１７８９４号公報
【特許文献３】国際公開第２０１０／１１９８４４号パンフレット
【特許文献４】特開２０１３−１０４６８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、埋め込み材の密度を高い精度で測定することができる計測装置および計測方法提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の計測装置は、第１および第２の算出手段を持つ。前記基体は、その主面に水平な方向に第１の材料で構成された周期構造と、前記周期構造の間に前記第１の材料とは異なる第２の材料で構成され所定の加工プロセスに応じて深さ方向に体積が変化する膜構造とを有する。前記第１の算出手段は、前記基体に電磁波を照射して、散乱されまたは反射した電磁波の強度信号を処理して第１の反射率プロファイルを作成し、シミュレーションにより予め準備された第２の反射率プロファイルと前記第１の反射率プロファイルとのフィッティングにより、前記周期構造および前記膜構造を単一の混合層と見なして設定された解析モデルの膜厚および密度を算出する。前記第２の算出手段は、前記周期構造の断面形状、並びに、前記算出された膜厚および密度から、前記所定の加工プロセスにより体積が変化した後の前記第２の材料の密度を算出する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の一形態による計測装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】Ｘ線の経路とパターンの方向との関係を示す平面図。
【図３】周期構造を含む試料にＸ線を照射して得られる反射率プロファイルの一例を示す図。
【図４】実施例１に用いられる試料の加工前における断面図の一例。
【図５】実施例１に用いられる試料の加工後における断面図の一例。
【図６】凹凸が無い層だけで構成される積層膜の解析モデルの一例を示す図。
【図７】実施例１の試料に対して設定された解析モデルを示す図。
【図８】ＣＤ−ＳＡＸＳにより測定された表面形状を示す図。
【図９】実施例２に用いられる試料の加工前における断面図の一例。
【図１０】実施例２に用いられる試料の加工後における断面図の一例。
【図１１】実施例２の試料に対して設定された解析モデルを示す図。
【図１２】実施形態１による計測方法の概略手順を示すフローチャート。
【図１３】実施形態２による計測方法の概略手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。
【００１１】
（Ａ）計測装置
（１）装置構成
図１は、実施の一形態による計測装置の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の計測装置は、Ｘ線微小角入射小角散乱による測定（以下、「ＣＤ−ＳＡＸＳ測定」という）機能とＸ線反射率法による測定（以下、「ＸＲＲ測定」という）機能の双方を有する。
【００１２】
具体的には、図１の計測装置は、主要な構成要素として、ステージ２と、ステージ制御部１３と、Ｘ線管球４と、光源制御部１１と、ゴニオメータ５と、ゴニオメータ制御部１５と、モノクロメータ６と、アッテネータ７と、二次元検出器３と、データ処理部１２と、形状算出部１４と、膜厚密度算出部１７と、を備える。
【００１３】
Ｘ線管球４は、光源制御部１１を介して形状算出部１４および膜厚密度算出部１７に接続される。二次元検出器３は、データ処理部１２を介して形状算出部１４および膜厚密度算出部１７に接続される。形状算出部１４はまた、ステージ制御部１３に接続される。膜厚密度算出部１７はまた、ゴニオメータ制御部１５およびステージ制御部１３にも接続される。本実施形態において、ステージ制御部１３は例えばステージ制御手段に対応する。
【００１４】
ステージ２は、その上面にウェーハＷが載置されてこれを支持する。ウェーハＷには周期構造ＰＳ１，ＰＳ２と深さ方向の膜構造ＭＳ１，ＭＳ２を含む試料Ｓ（図４、図５、図９、図１０参照）が設けられている。本明細書において、試料Ｓは、複数のプロセスにより加工される前の試料と加工後の試料とが計測対象として使用され、計測は複数のプロセスに跨がって実行される。
【００１５】
ステージ２はまた、ステージ制御部１３から制御信号を与えられ、図示しないアクチュエータにより、Ｘ，Ｙ，Ｚの三次元空間内でウェーハＷを移動させる他、ウェーハＷを任意の回転角だけ回転させる。
【００１６】
図２は、Ｘ線の経路と周期構造ＰＳのラインパターンの方向との関係を示す平面図である。ウェーハＷは、本実施形態において例えば基体に対応する。基体としては、ウェーハＷに限ることなく、例えばガラス基板、化合物半導体基板、セラミック基板なども含まれる。
【００１７】
Ｘ線管球４は、光源および凹面鏡（図示せず）を含む。光源としてはＸ線を生成するものであれば特に限定されないが、本実施形態では、例えばＣｕのＫα線を光源として利用する場合について説明する。
【００１８】
Ｘ線管球４は、光源制御部１１から制御信号を与えられて、例えば１ｎｍ以下の波長のＸ線Ｌｉを生成する。生成したＸ線Ｌｉは、Ｘ線管球４内の凹面鏡（図示せず）によって光路が調整され、所望の仰角α（図１参照）で試料ＳへＸ線Ｌｉを照射する。本実施形態において、Ｘ線管球４および光源制御部１１は、例えば電磁波照射手段に対応する。
【００１９】
ゴニオメータ５は、ゴニオメータ制御部１５から制御信号を与えられ、凹面鏡（図示せず）とともにＸ線Ｌｉの仰角αの値を調整する。仰角αとしては、ＣＤ−ＳＡＸＳ測定の場合には、Ｘ線ＬｉがウェーハＷを透過することなく全反射が生じる１°以下の角度が選択され、望ましくは０．２°以下である。また、ＸＲＲ測定の場合には、ゴニオメータ５はＸ線Ｌｉの照射中、入射角と反射角が等しい状態で０度から１０度まで所定の角度間隔ごとに仰角αを変更させる。これにより、Ｘ線は、そのコヒーレント長の点から試料Ｓの周期構造ＰＳのライン方向に垂直に入射する。
【００２０】
仰角αは、ゴニオメータ５に代えて、またはこれと併用して可動式のアームを設けて調整することとしてもよい。本実施形態において、ゴニオメータ５およびゴニオメータ制御部１５は、例えば角度制御手段に対応する。
【００２１】
モノクロメータ６は、Ｘ線管球４で生成されたＸ線Ｌｉから所望の波長成分のみを取り出し、これによりＸ線Ｌｉは単色で平行なビームになってウェーハＷに照射する。
【００２２】
アッテネータ７は、Ｘ線Ｌｉが照射した試料Ｓで反射したＸ線Ｌｏを所望の強度に減衰させる。
【００２３】
二次元検出器３は、試料Ｓから十分に離れた位置に配置され、Ｘ線Ｌｉが照射した試料Ｓにより散乱されたＸ線Ｌｏ、または試料Ｓで反射しアッテネータ７により適切な強度に調整されたＸ線Ｌｏを受光素子で検出し、その強度を測定する。
【００２４】
二次元検出器３の受光部では受光素子が二次元に配置され、各受光素子は、ＣＤ−ＳＡＸＳ測定の場合には周期構造ＰＳにより回折されたＸ線Ｌｏの強度を測定し、測定した強度を自身の位置に対応付けることにより、受光部全体としてＸ線散乱強度の二次元画像を作成する。測定中は、ステージ制御部１３からの制御信号に従ってアクチュエータ（図示せず）により、ステージ２を０°〜１０°回転させながらＸ線Ｌｉを照射するので（図２参照）、散乱されたＸ線の露光が継続しており、受光部は、継続して検出されるＸ線Ｌｏの散乱強度を積算する。
【００２５】
二次元検出器３の各受光素子はまた、ＸＲＲ測定の場合は、ゴニオメータ５により所定の測定角度範囲、例えば０度から１０度までで所定の角度間隔ごとに仰角αを変更しながら試料Ｓに入射して反射したＸ線Ｌｏの強度を測定し、測定した強度を自身の位置に対応付けることにより、受光部全体としてＸ線反射強度の二次元画像を作成する。
【００２６】
データ処理部１２は、二次元検出器３の各受光素子が測定した散乱強度を足し合わせることにより、ＣＤ−ＳＡＸＳ測定の場合には二次元のＸ線散乱プロファイルを作成し、ＸＲＲ測定の場合には、ゴニオメータ５の調整による０度から１０度まで所定間隔ごとの仰角αでの反射強度を足し合わせた反射率プロファイルを作成する。
【００２７】
ＣＤ−ＳＡＸＳ測定において、取り込まれる散乱強度画像には、方位角方向、仰角方向にブラッグの回折条件で決まる角度に干渉縞が現れている。データ処理部１２は、二次元の散乱強度画像を方位角方向、仰角方向に分割し、それぞれの方向での散乱プロファイルを算出する。ここで、方位角方向のプロファイルとは入射Ｘ線Ｌｉの仰角と散乱Ｘ線の仰角が等しいときの散乱プロファイルをいい、仰角方向のプロファイルとは回折ピークの仰角方向の強度変化をいう。
【００２８】
ラインパターンの長手方向に対して平行に近い方位角で、かつ、０．２°以下の仰角を持ったＸ線Ｌｉをラインパターンに照射させると、Ｘ線Ｌｉはパターンによって散乱される。散乱されたＸ線が干渉することにより、方位角方向の散乱プロファイルには回折ピークが現われ、仰角方向にはその回折ピークごとに干渉縞が現われる。
【００２９】
また、ＸＲＲ測定において、試料Ｓが凹凸の無い膜だけを積層した積層膜で構成されている場合は、ウェーハＷの表面や周期構造内の膜と膜との界面でＸ線が反射され、それらが干渉を引き起こす。仰角αの角度間隔毎に強度をプロットすると、角度によって強度の大小がある干渉縞が観察され、図３に例示するような反射率プロファイルが得られる。これら干渉縞を含む反射率プロファイルは、光学条件と積層膜の情報から計算により取得することが可能である。ＸＲＲ測定における光学条件は、入射Ｘ線の波長、入射角（仰角方向）を含む。また、積層膜の情報は、膜厚、界面ラフネスおよび電子密度を含む。Ｘ線の波長、入射角度と積層膜中の界面と界面の距離から行路差を計算することにより、シミュレーションで反射率プロファイルを求めることができる。
【００３０】
形状算出部１４は、データ処理部１２から実測による散乱プロファイルを与えられ、シミュレーションで得られた散乱プロファイル（以下、「シミュレーション散乱プロファイル」という）をメモリＭＲ１から引き出して照合し、両者の差異が最小となるようにフィッティングを行い、フィッティング誤差が最小となるときの形状パラメータの値を試料Ｓの周期構造ＰＳの少なくとも一部の断面形状の計測値として出力し、膜厚密度算出部１７へ与える。本実施形態において、実測による散乱プロファイルは例えば第１の散乱プロファイルに対応し、シミュレーション散乱プロファイルは例えば第２の散乱プロファイルに対応する。
【００３１】
シミュレーション散乱プロファイルは、光学条件とパターン情報から計算により得ることができる。より具体的には、試料Ｓについて、断面形状と材料を含むパターン情報と光学条件から断面モデルを設定し、その断面形状を体積積分することにより断面モデルからシミュレーションプロファイルを求める。シミュレーション散乱プロファイルは、予め求めたものをメモリＭＲ１に格納しておく他、形状算出部１４自身で作成することとしてもよい。
【００３２】
光学条件とは、ウェーハＷに入射するＸ線Ｌｉの波長、入射角（方位角方向、仰角方向）などをいい、パターン情報には、断面形状と電子密度を含む。断面形状は、表面パターンの輪郭部分を意味し、ピッチ、ＣＤ、高さ、側壁角、トップラウンディング、ボトムラウンディングの形状パラメータよって表わされる関数である。
【００３３】
膜厚密度算出部１７は、形状算出部１４から周期構造ＰＳの断面形状の計測値を与えられ、周期構造および膜構造を単一の混合層と見なした解析モデルを設定してＸＲＲ測定により解析モデルの膜厚および密度を算出し、さらに、周期構造ＰＳの断面形状、並びに解析モデルの膜厚および密度から、複数のプロセスを経て体積が変化した後の膜構造（図４中の符号ＭＳ１、図１０中の符号ＭＳ２を参照）の密度を算出する。解析モデルについては後に詳述する。
【００３４】
ＸＲＲ測定に際して膜厚密度算出部１７は、解析モデルの形状情報から測定角度範囲およびステップ角度などのＸＲＲ測定の条件を決定し、この測定条件をゴニオメータ制御部１５に送るとともに、入射Ｘ線の波長などの光学条件に従って光源制御部１１およびステージ制御部１３を制御してＸＲＲ測定を行い、データ処理部１２から周期構造ＰＳ１，ＰＳ２および膜構造ＭＳ２，ＭＳ４について実測による反射率プロファイル（以下、「実測反射率プロファイル」という）を送られる。そして、膜厚密度算出部１７は、得られた実測反射率プロファイルを解析することにより、混合層の（見かけ上の）膜厚および密度を算出する。
【００３５】
解析に際し、膜厚算出部１７は、解析モデルについてシミュレーションにより反射率プロファイルを取得し（以下、「シミュレーション反射率プロファイル」という）、実測反射率プロファイルをシミュレーション反射率プロファイルと照合し、両者の差が最小となるようにフィッティングを行う。そして、膜厚密度算出部１７は、フィッティング誤差が最小となるときの混合層の膜厚および密度の値を求める。本実施形態において、実測反射率プロファイルは例えば第１の反射率プロファイルに対応し、シミュレーション反射率プロファイルは例えば第２の反射率プロファイルに対応する。また、膜厚密度算出部１７は第１および第２の算出手段に対応する。
【００３６】
さらに、膜厚密度算出部１７は混合膜の（見かけ上の）密度から周期構造ＰＳ１，ＰＳ２および膜構造ＭＳ２，ＭＳ４の密度を分離することにより、体積が変化した後の膜構造造ＭＳ２，ＭＳ４を構成する埋め込み材の密度を算出する。
【００３７】
（２）膜構造の密度の計測
図１に示す計測装置を用いて加工後の膜構造の密度を計測する実施例のいくつかについて、図４乃至図１０を参照しながら詳細に説明する。
【００３８】
（ａ）実施例１
まず、本実施例に用いられる試料Ｓの加工前における断面図の一例を図４に示す。ウェーハＷ上にライン・アンド・スペースの周期構造ＰＳ１が設けられ、周期構造ＰＳ１のスペースを埋め込むように膜構造ＭＳ１が形成されている。周期構造ＰＳ１の頂面の位置は膜構造ＭＳ１の頂面の位置とほぼ同一である。
【００３９】
本実施例において周期構造ＰＳは密度ＭＤ１の第１の材料で形成され、周期構造ＭＳ１は、第２の材料で形成される。密度ＭＤ１は、既知の値であり、予めメモリＭＲ２に格納してもよいし、また、例えば図示しないユーザインタフェースを介してオペレータにより膜厚密度算出部１７へ入力してもよい。密度ＭＤ１の値はまた、膜構造ＭＳ１を形成するプロセスに先立って図１に示す計測装置を用いたＸＲＲ測定により求めてもよい。
【００４０】
図５は、図４に示す試料Ｓに対してエッチング加工を施して膜構造ＭＳ１の体積を減少させた後の断面図を示す。本実施例では、エッチング加工後の第２の材料の密度ＭＤ２を求める。
【００４１】
前述した通り、ＸＲＲ測定は、例えば図６に示すように、深さ方向Ｄのみに構造を持つ積層膜、すなわち凹凸が無い膜だけを積層することにより形成された試料に対して各層の膜の密度と膜厚を求めることは可能であるが、図４に示すような周期構造と膜構造の試料に対してラインパターンの材料および埋め込み材料の密度を求めることはできない。
【００４２】
そこで、本実施例では、図７に示すように、エッチング加工前の状態に近似させてウェーハ部の層５３と、埋め込み材を含むライン部とでなる２層のモデルを立てる。そして、ライン部についてラインと埋め込み材の区別をすることなく単一の混合層５２とみなす。これらの層５３，５２の膜厚および密度をパラメータとした深さ方向にのみ構造を持つＸＲＲ解析モデルを立て、図４の状態でＸＲＲ測定を実行し、図７の解析モデルによる解析で、ライン部の密度Ｄａ１を測定する。しかしながら、得られたライン部の密度Ｄａ１はあくまでも混合層５２の見かけ上の密度であるため、ラインの埋め込み材の密度ＭＤ２そのものを割り出すことはできない。ラインパターンを構成する第１の材料の密度ＭＤ１と、膜構造ＭＳ１を構成する埋め込み材である第２の材料の密度ＭＤ２とを分離する手法が必要である。この分離処理は膜厚密度算出部１７により実行される。
【００４３】
混合層５２の密度Ｄａ１から埋め込み材の密度ＭＤ２のみを分離する手法は以下の通りである。
【００４４】
図５に示すエッチング加工後の状態では、表面に周期構造ＰＳの一部が現れる。このときのラインとスペースとの体積比は、図７の混合層５２におけるラインと埋め込み材との体積比と同等である。そこで、図８に示すように、エッチング加工後の状態における試料Ｓの表面形状を形状算出部１４がＣＤ−ＳＡＸＳにより計測する。この計測結果から膜厚密度算出部１７がラインとスペースとの体積比Ｒｖ１を求める。
【００４５】
より具体的には、エッチング加工により減少した埋め込み材の体積をＶＤ２、混合層５２のうち、埋め込み材の減少分に対応する部分、すなわち、周期構造ＰＳ１の頂面から残余の埋め込み材の表面に至るまでのラインパターン部分の体積をＶＤ１とすると、ラインとスペースとの体積比Ｒｖ１は
Ｒｖ１＝ＶＤ１／ＶＤ２                                          ・・・式（１）
で与えられる。
【００４６】
一旦第２の材料が周期構造ＰＳのスペースに埋め込まれた後はエッチング加工の前後で埋め込み材の密度が変化することはないため、混合層５２の密度Ｄａ１、ラインパターンの密度ＭＤ１と埋め込み材の密度ＭＤ２との間に下記の関係が成立する：
Ｄａ１＝（ＭＤ１×Ｒｖ１＋ＭＤ２）／（Ｒｖ１＋１）              ・・・式（２）
。
【００４７】
膜厚密度算出部１７は、上記式（２）に従って埋め込み材の密度ＭＤ２を算出し、モニタ１８により表示させるとともに、メモリＭＲに格納する。
【００４８】
（ｂ）実施例２
図９は、本実施例に用いられる試料Ｓの加工前における断面図の一例を示す。  ウェーハＷ上に密度ＭＤ３のＳｉを材料としてライン・アンド・スペースの周期構造ＰＳ２が設けられている。
【００４９】
図１０は、図９に示す試料の加工後における断面図の一例を示す。メッキ加工のプロセスにより周期構造ＰＳ２のスペースをＣｕが埋め込むことにより膜構造ＭＳ２が形成されている。このようにメッキ加工後における膜構造ＭＳ２のＣｕの密度ＭＤ４が本実施例における計測対象である。膜構造ＭＳ２は例えば金属配線などに用いられる。
【００５０】
まず、メッキ加工前の図９の段階で形状算出部１４によりＣＤ−ＳＡＸＳ測定を実行し、周期構造ＰＳ２の表面形状を測定する。
【００５１】
次いで、得られた表面形状のパラメータから形状算出部１４が周期構造ＰＳ２におけるラインとスペースとの体積比Ｒｖ２を算出し、表面形状のパラメータとともに膜厚密度算出部１７へ与える。Ｒｖ２は、周期構造ＰＳのラインの体積をＶＤ３、スペースの体積をＶＤ４とすると、
Ｒｖ２＝ＶＤ３／ＶＤ４                                          ・・・式（３）
で与えられる。
【００５２】
膜厚密度算出部１７は、与えられた表面形状のパラメータから図１１に示すように、ＸＲＲ測定用の解析モデルを設定する。図１１に示すモデルでは、ウェーハ部の層６３と、埋め込み材を含むライン部６２とが積層されてメッキ加工後の状態に近似させたモデルとなっている。ライン部６２は、ＳｉとＣｕとの区別をすることなく単一の混合層とみなされる。これにより、ウェーハ部６３，ライン部（混合層）６２の膜厚および密度をパラメータとした深さ方向にのみ構造を持つ解析モデルが提供される。ここで、膜厚密度算出部１７は、ＳｉとＣｕとの体積比として、形状算出部１４により算出されたラインとスペースとの体積比Ｒｖ２をそのまま使用する。
【００５３】
続いて、図１０に示す加工後の状態でＸＲＲ測定を実行し、膜厚密度算出部１７によりライン部（混合層）６２の密度Ｄａ２が測定される。
【００５４】
最後に、膜厚密度算出部１７は、以下の関係式を用いて混合層５２の見かけ上の密度Ｄａ２から各材料の密度を分離することにより、周期構造ＰＳ２内のスペースに埋め込まれたＣｕの密度ＭＤ４を算出する：
Ｄａ２＝（ＭＤ３×Ｒｖ２＋ＭＤ４）／（Ｒｖ２＋１）            ・・・式（４）
。
【００５５】
本実施例においても、密度ＭＤ３は、既知の値としてオペレータにより入力されたもの、またはメモリＭＲに格納され引き出されたものを使用したが、これに限ることなく、計測の前処理としてＸＲＲ測定により求めてもよい。
【００５６】
上述した少なくとも一つの実施形態の計測装置によれば、ラインと埋め込み材の区別をすることなく単一の混合層とみなしたライン部を含む解析モデルを設定してＸＲＲ測定によりライン部の膜厚と密度を算出し、ＣＤ−ＳＡＸＳにより得られた表面形状を用いてライン部の見かけ上の密度から埋め込み材の密度のみを分離する膜厚密度算出部１７を備えるので、埋め込み材の密度を高い精度で測定することが可能になる。
【００５７】
なお、上述の説明では、試料Ｓの表面形状の計測は、計測装置のＣＤ−ＳＡＸＳ機能を用いて実行したが、これに限ることなく、例えば計測装置外部のＡＦＭにより実行し、得られた形状パラメータを膜厚密度算出部１７に与えることによっても埋め込み材の密度を求めることが可能である。その場合は、図１に示す構成のうち、形状算出部１４が不要となり、データ処理部１２からの信号は膜厚密度算出部１７に送られる。
【００５８】
（Ｂ）計測方法
（１）実施形態１
実施形態１による計測方法について図１２のフローチャートを参照しながら説明する。試料Ｓとして図４および図５に示す加工前後の構造体を取り挙げる。計測対象は、膜構造ＭＳ１を構成する埋め込み材の密度ＭＤ２である。
【００５９】
先ず、周期構造ＰＳ１に埋め込み材を充填して膜構造ＭＳ１を形成する前の段階で試料Ｓのラインパターンを構成する第１の材料の密度ＭＤ１をＸＲＲ測定により求める（ステップＳ１）。なお、第１の材料の密度ＭＤ１は加工の前後で変わることがないので、予め測定した値を用いてもよい。
【００６０】
次に、ライン間のスペースに第２の材料を埋め込むことにより図４に示す膜構造ＭＳ１を形成する（ステップＳ２）。
【００６１】
次いで、ウェーハＷから上方のライン部とスペース部の全体を混合層５２と見なして解析モデルを設定し（図７参照）、ＸＲＲ測定を実行し（ステップＳ３）、混合層５２の見かけ上の密度Ｄａ１を算出する（ステップＳ４）。
【００６２】
続いて、エッチング加工により埋め込み材の一部をウェーハＷの上面にほぼ水平に、すなわち深さ方向に均一に除去し、これにより周期構造ＰＳ１の表面部を露出させる（ステップＳ５、図５参照）。
【００６３】
この状態でＣＤ−ＳＡＸＳまたはＡＦＭにより露出した表面部の表面形状を測定し（ステップＳ６）、混合層５２におけるラインとスペースとの体積比を算出する（ステップＳ７）。
【００６４】
最後に、上述の式（１）および（２）を使用することにより、算出された体積比率と混合層５２の見かけ上の密度Ｄａ１から埋め込み材の密度ＭＤ２を算出する（ステップＳ８）。
【００６５】
（２）実施形態２
実施形態２による計測方法について図１３のフローチャートを参照しながら説明する。試料Ｓとして図９および図１０に示す加工前後の構造体を取り挙げる。計測対象は、膜構造ＭＳ２を構成する埋め込み材の密度ＭＤ４である。
【００６６】
先ず、図９に示す加工前の段階でＳｉのラインパターン（密度ＭＤ３）の表面形状をＣＤ−ＳＡＸＳまたはＡＦＭにより測定し（ステップＳ１１）、周期構造ＰＳ２におけるラインとスペースとの体積比を算出する（ステップＳ１２）。なお、ここでは、Ｓｉの密度ＭＤ３として既知の値を用いたが、ＸＲＲ測定により前処理として求めてもよい。本実施形態においてＳｉは例えば第３の材料に対応する。
【００６７】
次いで、図１０に示すように、メッキ加工によりライン間のスペースにＣｕを埋め込む（ステップＳ１３）。本実施形態においてＣｕは例えば第３の材料に対応する。
【００６８】
さらに、ウェーハＷから上方のライン部とスペース部の全体を混合層６２（図１１参照）と見なして解析モデルを設定し、ＸＲＲ測定より混合層６２の見かけ上の密度Ｄａ２を算出する（ステップＳ１４）。
【００６９】
上述の式（３）および（４）を使用することにより、算出された体積比Ｒｖ２と混合層６２の見かけ上の密度Ｄａ２からＣｕの密度ＭＤ４を算出する（ステップＳ８）。
【００７０】
上述した少なくとも一つの実施形態の計測方法によれば、ラインと埋め込み材の区別をすることなく単一の混合層とみなした部分を含む解析モデルを設定してＸＲＲ測定により混合層の膜厚と密度を算出し、ＣＤ−ＳＡＸＳにより得られた表面形状を用いてライン部の見かけ上の密度から埋め込み材の密度のみを分離するので、埋め込み材の密度を高い精度で測定することが可能になる。
【００７１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７２】
２…ステージ、３…二次元検出器、４…Ｘ線管球、５…ゴニオメータ、１１…光源制御部、１２…データ処理部、１３…ステージ制御部、１４…形状算出部、１５…ゴニオメータ制御部、１７…膜厚密度算出部、５２，６２…混合層、Ｌｉ…入射Ｘ線、Ｌｏ…反射Ｘ線または散乱Ｘ線、ＭＤ１〜ＭＤ４，Ｄａ１…密度、ＭＳ１，ＭＳ２…深さ方向の膜構造、ＰＳ１，ＰＳ２…周期構造、Ｗ…ウェーハ、α…仰角。
【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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【図１２】
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【図１３】
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