(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の膜を有する周期構造が形成された基体を支持するステージと、
前記ステージの位置と高さを制御するステージ制御手段と、
電磁波を生成し、前記基体へ照射する電磁波照射手段と、
前記電磁波の仰角を制御する角度制御手段と、
前記基体で散乱されまたは反射した電磁波を検出してその強度を測定する検出手段と、
前記検出手段からの信号を処理して第１の散乱プロファイルを作成し、前記周期構造についてシミュレーションにより予め得られた第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、前記周期構造の表面形状を算出するデータ処理手段と、
算出された前記表面形状から前記周期構造の表面構造に関する仮想的膜構造を算出し、前記周期構造に関する参照データから前記周期構造の内部構造に関する仮想的膜構造を算出する膜構造変換手段と、
前記仮想的膜構造からＸＲＲ測定の条件を設定し、該条件に従って前記ステージ制御手段、前記電磁波照射手段、前記角度制御手段および前記検出手段を制御し、前記周期構造について実測による第１の反射率プロファイルを取得し、前記内部構造に関する仮想的膜構造を用いたシミュレーションにより得られた第２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を構成する各層の膜厚を算出し、算出された前記膜厚と前記仮想的膜構造とを用いて前記周期構造の形状を再構築する膜構造計測手段と、
を備える計測装置。
【請求項２】
前記膜構造変換手段は、
前記周期構造の表面構造を構成する各材料の材質データと、前記データ処理手段により算出された前記周期構造の表面形状と、に基づいて前記表面構造を高さ方向に複数の領域に分割し、分割された前記領域のそれぞれについて、材質の体積比と各材料の電子密度から前記表面構造の各層での有効的な電子密度を算出し、密度勾配のある複数の層の膜厚と電子密度とを求めることにより前記内部構造に関する仮想的膜構造を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記膜構造変換手段は、
前記周期構造の表面構造の断面積を前記周期構造の周期で除算することにより前記表面構造の仮想的な膜厚を求め、得られた膜厚の値と前記表面構造の各点との差分から前記表面構造の高さばらつきを求めることにより前記表面構造に関する仮想的膜構造を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
複数の膜を有する周期構造が形成された基体に電磁波を照射し、散乱された電磁波の強度を測定して得られた信号を処理して前記周期構造の表面形状を算出する工程と、
算出された前記表面形状から前記周期構造の表面構造に関する仮想的膜構造を算出する工程と、
前記周期構造に関する参照データから前記周期構造の内部構造に関する仮想的膜構造を算出する工程と、
前記仮想的膜構造からＸＲＲ測定の条件を設定する工程と、
設定された条件に従って前記基体に前記電磁波を照射し、反射した電磁波の強度を検出して得られた信号を処理して前記周期構造について実測による第１の反射率プロファイルを取得する工程と、
前記第１の反射率プロファイルと、前記内部構造に関する仮想的膜構造を用いたシミュレーションにより得られた第２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の内部を構成する各層の膜厚を算出する工程と、
算出された前記膜厚と前記仮想的膜構造とを用いて前記周期構造の形状を再構築する工程と、
を備える計測方法。
【請求項５】
前記内部構造に関する仮想的膜構造を算出する工程は、
算出された前記周期構造の表面形状と、前記周期構造の表面構造を構成する各材料の材質データと、に基づいて前記表面構造を高さ方向に複数の領域に分割する工程と、
分割された前記領域のそれぞれについて、材質の体積比と各材料の電子密度から前記表面構造の各層での有効的な電子密度を算出する工程と、
密度勾配のある複数の層の膜厚と電子密度とを求める工程と、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の計測方法。
【請求項６】
前記表面構造に関する仮想的膜構造を算出する工程は、
前記周期構造の表面構造の断面積を前記周期構造の周期で除算することにより前記表面構造の仮想的な膜厚を求める工程と、
得られた膜厚の値と前記表面構造の各点との差分から前記表面構造の高さばらつきを求める工程と、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の計測方法。
【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】
半導体製造プロセスにおいて、パターン幅や高さ、側壁角や配線のトップ部およびボトム部の微小な形状を計測する技術が要求されている。非破壊および非接触の検査装置として、反射型のＣＤ−ＳＡＸＳであるＧＩＳＡＸＳ（Ｇｒａｚｉｎｇ  Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ  Ｓｍａｌｌ  Ａｎｇｌｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、Ｘ線の小角散乱を利用して形状を計測する装置で、基板表面でＸ線を全反射させるため、表面形状の計測には特に優れている。しかし、基板表面で全反射をさせるために、構造体内部へはＸ線が入らず、内部の積層構造の計測ができないという欠点がある。
【０００３】
この一方、積層構造の計測技術としてはＸＲＲ（Ｘ−ｒａｙ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）技術がある。この技術は、Ｘ線の各層の反射による干渉を利用するものである。一般的に、パターン構造が無い状態での内部積層構造の計測に用いられる。パターン構造がある場合は該パターン構造によって干渉条件が変化してしまい、また、表面散乱の影響をも受けるため、内部構造の膜厚を計測することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３４９８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、表面形状と内部構造との双方を計測できる計測装置および計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の計測装置は、ステージと、ステージ制御手段と、電磁波照射手段と、角度制御手段と、検出手段と、データ処理手段と、膜構造変換手段と、膜構造計測手段とを持つ。前記ステージは、計測対象の周期構造が形成された基体を支持する。前記ステージ制御手段は前記ステージの位置と高さを制御する。前記電磁波照射手段は電磁波を生成して前記基体へ照射する。前記角度制御手段は前記電磁波の仰角を制御する。前記検出手段は、前記基体で散乱されまたは反射した電磁波の強度を測定する。前記データ処理手段は、前記検出手段からの信号を処理して第１の散乱プロファイルを作成し、前記周期構造についてシミュレーションにより予め得られた第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、前記周期構造の表面形状を算出する。前記膜構造変換手段は、算出された前記表面形状から前記周期構造の表面構造に関する仮想的膜構造を算出し、前記周期構造に関する参照データから前記周期構造の内部構造に関する仮想的膜構造を算出する。前記膜構造計測手段は、前記仮想的膜構造から測定条件を設定し、該測定条件に従って前記ステージ制御手段、前記電磁波照射手段、前記角度制御手段および前記検出手段を制御し、前記周期構造について実測による第１の反射率プロファイルを取得し、前記内部構造に関する仮想的膜構造を用いたシミュレーションにより得られた第２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を構成する各層の膜厚を算出し、算出された前記膜厚と前記仮想的膜構造とを用いて前記周期構造の形状を再構築する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【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】二次元検出器の受光部の外観を示す斜視図。
【図４】積層膜をなす周期構造に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５】実施の一形態による計測方法が適用される周期構造の一例を示す断面図。
【図６】図５の周期構造についてＧＩＳＡＸＳにより得られた表面形状の測定値から再構築された表面構造の一例を示す図。
【図７】変形例による計測方法が適用される周期構造の一例を示す断面図。
【図８】実施の一形態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】
【０００８】
（Ａ）計測装置
（１）装置構成
図１は、実施の一形態によるパターン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、「ＧＩＳＡＸＳ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。
【０００９】
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、Ｘ線管球４と、光源制御部１１と、ゴニオメータ５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、ゴニオメータ制御部１５と、ステージ制御部１３と、膜構造変換部１６と、膜厚算出部１７と、を備える。
【００１０】
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と膜構造変換部１６に接続される。膜構造変換部１６は膜厚算出部１７に接続される。膜厚算出部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。
【００１１】
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。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。  
図２は、Ｘ線の経路とパターンの方向との関係を示す平面図である。図２に示すように、ウェーハＷの表面には、検査対象である周期構造ＰＳが形成されている。周期構造としては、図２に示すライン・アンド・スペース構造の他、例えば一方向もしくは互いに直交する２方向に所定ピッチで配置された穴パターン構造、または穴パターンとラインパターンとが混在する構造などが含まれる。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。
【００１２】
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。
【００１３】
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内の凹面鏡によって光路が調整され、所望の仰角α（図１参照）で周期構造ＰＳ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。しかしながら、電磁波としてはＸ線に限ることなく、検査対象の周期構造のピッチが例えば１μｍ以上と広い場合には、３００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光を用いてもよい。
【００１４】
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、ＧＩＳＡＸＳ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周期構造ＰＳのライン方向に垂直に入射する。
【００１５】
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。
【００１６】
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。  
アッテネータ７は、Ｘ線Ｌｉが照射したパターンＰで反射したＸ線Ｌｏを所望の強度に減衰させる。
【００１７】
二次元検出器３は、周期構造ＰＳから十分に離れた位置に配置され、Ｘ線Ｌｉが照射した周期構造ＰＳにより散乱されたＸ線Ｌｏ、または周期構造ＰＳ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。二次元検出器３の受光部の外観を図３の斜視図に示す。
【００１８】
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、ＧＩＳＡＸＳ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Ｌｓ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。
【００１９】
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を変更しながら周期構造ＰＳ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。
【００２０】
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、ＧＩＳＡＸＳ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。
【００２１】
ＧＩＳＡＸＳ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Ｌｓ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。
【００２２】
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Ｌｓ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。
【００２３】
また、ＸＲＲ測定において、ウェーハＷに設けられた周期構造が積層膜になっている場合は、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４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。
【００２４】
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プロファイル（以下、「シミュレーションプロファイル」という）と照合し、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周期構造ＰＳの表面形状の計測値として出力し、膜構造変換部１６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。
【００２５】
シミュレーションプロファイルは、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、計測対象である周期構造ＰＳ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。シミュレーションプロファイルは、予め求めたものを形状算出部１４に取り込んでもよいし、形状算出部１４自身で作成することとしてもよい。このようにシミュレーションにより作成されたＸ線散乱プロファイルは、本実施形態において、例えば第２の散乱プロファイルに対応する。
【００２６】
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。
【００２７】
膜構造変換部１６は、形状算出部１４から周期構造ＰＳの表面形状の計測値を与えられ、後に詳述する手順により、周期構造ＰＳの表面構造に関する仮想的膜構造を算出し、膜厚算出部１７へ与える。膜構造変換部１６はまた、図示しない入力部から周期構造ＰＳの参照データを与えられて周期構造ＰＳの内部構造に関して、表面構造とは異なる電子密度を有する積層モデル（以下、「内部構造に関する仮想的膜構造」という）を算出し、膜厚算出部１７へ与える。参照データとしては、周期構造ＰＳの設計データを用いてもよいし、良好に形成された周期構造ＰＳについて得られた断面ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）またはＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）から算出したデータでもよい。
【００２８】
膜厚算出部１７は、膜構造変換部１６から与えられた仮想的膜構造の膜厚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からパターンＰ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、パターンＰの内部構造における各層の膜厚を算出する。解析に際し、膜厚算出部１７は、膜構造変換部１６から与えられた内部構造に関する仮想的膜構造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、膜厚算出部１７は、フィッティング誤差が最小となるときの各積層膜の膜厚および界面ラフネスの値を求め、断面構造内部の膜厚測定値として出力する。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。
【００２９】
膜厚算出部１７はさらに、算出した各層の膜厚と膜構造変換部１６から与えられた仮想的膜構造の膜厚情報とから周期構造ＰＳの全体形状を再構築する。本実施形態において、膜厚算出部１７は例えば膜構造計測手段に対応する。
【００３０】
本実施形態の測定装置によれば、ＧＩＳＡＸＳ測定に基づいて周期構造の表面形状を測定する形状算出部１４と、その測定結果に基づいてＸＲＲ測定を行って得られた反射率プロファイルを解析する膜厚算出部１７とを備えるので、周期構造の表面構造と内部構造の双方を高い精度で測定することができる。
【００３１】
（２）周期構造の計測
図１に示す計測装置を用いて周期構造ＰＳを計測する方法のいくつかについて、図５乃至図８を参照しながら詳細に説明する。以下に説明する計測方法の特徴の一つは、ＧＩＳＡＸＳ測定とＸＲＲ測定の両方を順次に行い、ＧＩＳＡＸＳからは表面パターンの形状を算出し、その算出結果に基づいてＸＲＲ測定を行い、得られた反射率プロファイルの解析により周期構造ＰＳの表面構造および内部構造を再構築する点にある。以下、順を追って説明する。
【００３２】
図５は、本実施形態による計測方法が適用される周期構造の一例を示す断面図である。
図５に示す周期構造ＰＳ１は、ウェーハＷの表面に成膜された膜３４と、紙面垂直方向に延在するライン状のパターン３３と、膜３２と、紙面垂直方向に延在するライン状のパターン３１とを有する。
【００３３】
パターン３３は、膜３４と同一の材料で形成され、膜３４上に所定周期（ピッチ）で設けられる。膜３２は、ウェーハＷ上で膜３４およびパターン３３の全面を覆うように成膜される。パターン３１は、パターン３３の頂面に対応するよう位置合せされて膜３２上に形成される。
【００３４】
ここで、パターン３１の材料の材質をＡ、膜３２の材料の材質をＢ、パターン３３および膜３４の材料の材質をＣとする。また、計測対象を、膜３２のうちでパターン３１とパターン３２に挟まれた領域の膜厚ＦＴとする。
【００３５】
まず、ＧＩＳＡＸＳ測定により、周期構造の表面形状を計測する。具体的には、形状算出部１４が各種制御信号を生成して光源制御部１１、データ処理部１２、ステージ制御部１３およびゴニオメータ制御部１５に送り、Ｘ線管球４から周期構造ＰＳのライン方向に対して平行に所望の仰角αでX線Ｌｉを入射し、二次元検出器３を介してデータ処理部１２で得られる実測の散乱プロファイルを形状算出部１４が与えられ、これを形状算出部１４が解析することにより、周期構造ＰＳの表面形状が得られる。
【００３６】
散乱プロファイルの解析は、前述した通り、シミュレーションプロファイルとの照合およびフィッティングで最適の形状パラメータを求めることにより行う。  形状パラメータとしては、ラインパターン３１のトップおよびボトムの各曲率半径や側壁角度などが求められる。
【００３７】
形状算出部１４は、このようにして得られた形状パラメータの情報から周期構造ＰＳの表面構造を再構築し、そのデータを膜構造変換部１６へ送る。
【００３８】
ＧＩＳＡＸＳ測定により得られた表面形状の測定値から再構築された表面構造の一例を図６に示す。図６から分かるように、材質Aと材質Bからなる表面形状が得られる。
【００３９】
次に、膜構造変換部１６は、再構築された周期構造ＰＳの表面構造を密度勾配のある層と見なして仮想膜構造を算出する。
【００４０】
より具体的には、図６の表面形状を高さ方向に複数の領域に分割し、各領域での材質A、B、空気の体積比を求める。得られた体積比と、材料A、Bそれぞれの電子密度から、各領域での有効的な電子密度を決定する。そして、周期構造ＰＳの表面構造を構成する各層の膜厚と電子密度を求めることにより仮想膜構造を算出する。算出された仮想膜構造は、膜構造変換部１６から膜厚算出部１７へ送られる。
【００４１】
膜構造変換部１６はまた、図示しない入力部から周期構造ＰＳの参照データを与えられて周期構造ＰＳの内部構造に関して、表面構造とは異なる電子密度を有する内部構造に関する仮想的膜構造を算出し、膜厚算出部１７へ与える。参照データとしては、周期構造ＰＳ１の設計データを用いてもよいし、良好に形成された周期構造ＰＳ１について得られた断面ＳＥＭまたはＴＥＭから得られたデータでもよい。内部構造に関する仮想的構造の算出に際し、複数の材料が混在する層がある場合、例えば図５の周期構造ＰＳ１に示すように材料Ｂと材料Ｃが混在する層がある場合は、仮想的膜構造を算出する際にラインパターンの線幅の比を求めておき、その混合層の有効な電子密度を算出し、その結果を内部構造に関する仮想的膜構造の算出に使用する。
【００４２】
ＧＩＳＡＸＳ測定に引き続いてＸＲＲ測定を行う。まず、膜厚算出部１７が膜構造変換部１６から送られた仮想膜構造の膜厚情報から、ＸＲＲ測定においてＸ線ＬｉをウェーハＷに照射する際に変化させるべき仰角αの角度範囲と角度間隔とを設定し、測定条件としてゴニオメータ制御部１５に送る。
【００４３】
次に、膜厚算出部１７は、膜構造変換部１６から与えられた内部構造に関する仮想的膜構造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作成する。
【００４４】
次いで、膜厚算出部１７は、ゴニオメータ制御部１５を介してゴニオメータ５を制御させながら、かつ、ステージ制御部１３を介してステージ２を移動させながら光源制御部１１を介してＸ線管球４からＸ線Ｌｉを上述の測定条件でウェーハＷに照射させ、二次元検出器３によりウェーハＷからの反射Ｘ線Ｌｏの強度を測定し、データ処理部１２が作成した実測反射率プロファイルを与えられる。
【００４５】
次に、膜厚算出部１７は、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い、フィッティング誤差が最小となるときの各積層膜の膜厚および界面ラフネスの値を求め、周期構造内部の膜厚測定値として出力する。
【００４６】
最後に、膜厚算出部１７は、表面構造および内部構造を含む周期構造ＰＳ１の全体構造を再構築する。これにより、表面構造および内部構造の双方について計測が可能になる。測定対象とした膜厚ＦＴ（図５参照）も、再構築された周期構造ＰＳ１の全体構造から容易に算出できる。
【００４７】
測定対象の周期構造において、表面のパターンの高さが小さい場合、例えば約２〜３ｎｍの場合は、上述したように表面構造を密度勾配がある層とみなすよりは、高さばらつきが大きい膜とみなした方が、より適切な仮想的膜構造を算出することができる。このような周期構造についての計測を本実施形態の変形例として説明する。
【００４８】
このような表面パターンの高さが小さい周期構造の一例を図７の断面図に示す。このような周期構造ＰＳ２についても図１の計測装置で計測可能である。
【００４９】
まず、前述した計測方法と同様にＧＩＳＡＸＳ測定により周期構造ＰＳ２の表面構造を測定する。形状算出部１４にて線幅、高さ、側壁角、トップ、ボトムの曲率半径などの各種形状パラメータを求め、膜構造変換部１６へ送る。膜構造変換部１６は、与えられた形状パラメータの情報から、表面パターン構造の断面積を求め、これをピッチで割って表面パターンの仮想的な膜厚を算出する。
【００５０】
表面パターン構造の各点の高さと最表面層の膜厚との差分から表面ラフネスを求める。このようにして得られた膜厚およびラフネスを用いて仮想的膜構造を算出する。
【００５１】
そして、前述した計測方法と同様にしてＧＩＳＡＸＳ測定に引き続いてＸＲＲ測定を実行して周期構造ＰＳ２内部の膜厚を測定し、周期構造ＰＳ２の全体構造を再構築する。
【００５２】
最後に、再構築された周期構造ＰＳ２の全体構造から、膜厚等の必要な形状パラメータを算出する。
【００５３】
このように、本変形例によれば、変化に乏しい表面形状を有する場合でも、表面構造と内部構造の双方を高い精度で測定することができる。
【００５４】
（Ｂ）計測方法
実施の一形態による計測方法について図８のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、ＧＩＳＡＸＳ測定により計測対象である周期構造の表面形状を測定する（ステップＳ１１）。
【００５５】
次に、測定結果から周期構造の表面構造を再構築し（ステップＳ１２）、これに基づいて仮想的膜構造を算出する（ステップＳ２１）。仮想的膜構造の算出に際しては、上述したとおり、周期構造の表面構造を密度勾配がある層とみなして表面構造を構成する各層の膜厚と電子密度を求める方法の他、表面パターンの高さが小さい場合に、表面構造を高さばらつきが大きい膜とみなして膜厚と高さばらつきを求める方法とがある。
【００５６】
次いで、仮想的膜構造から測定条件を決定する（ステップＳ３１）。  
続いて、周期構造の設計データや断面ＴＥＭからの測定値などによる参照データを用いて周期構造の内部構造に関する仮想的膜構造を算出し（ステップＳ３２）、シミュレーション反射率プロファイルを作成する（ステップＳ３３）。
【００５７】
次に、ステップＳ３１で決定した測定条件に従ってＸ線を周期構造に照射し（ステップＳ３４）、周期構造からの反射光を二次元検出器で検出してその強度を測定し（ステップＳ３５）、実測反射率プロファイルを作成する（ステップＳ３６）。
【００５８】
次いで、得られた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、フィッティングにより周期構造内部の各層の膜厚や界面ラフネスの値を算出する（ステップＳ３８）。
【００５９】
最後に、ステップＳ２１により得られた仮想的膜構造とステップＳ３８により得られた内部構造の測定値から周期構造全体の膜構造を再構築する（ステップＳ３９）。
【００６０】
上記手順では、シミュレーション反射率プロファイルを作成してから実測反射率プロファイルを作成したが、この順序に限定されることなく、先に実測反射率プロファイルを作成し、その後にシミュレーション反射率プロファイルを作成して実測反射率プロファイルと照合・フィッティングを行ってもよい。
【００６１】
本実施形態の測定方法によれば、ＧＩＳＡＸＳ測定により周期構造の表面形状を測定し、その測定結果に基づいてＸＲＲ測定を行って得られた反射率プロファイルを解析するので、表面構造と内部構造の双方を高い精度で測定することができる。  
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】
【００６２】
２…ステージ、３…二次元検出器、４…Ｘ線管球、５…ゴニオメータ、６…モノクロメータ、７…アッテネータ、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、１６…膜構造変換部、１７…膜厚算出部、Ｌｉ…Ｘ線（入射光）、Ｌｏ…Ｘ線（散乱光または反射光）、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２…パターン、ＰＳ１，ＰＳ２…周期構造、Ｗ…ウェーハ
【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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