(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターン半導体ウエハの薄膜層の特性を評価する方法であって、
Ｘ線のプローブビームを生成するステップと、
前記プローブビームのスポットサイズが前記パターン半導体ウエハの表面上のパターンの形状の大きさに比べて大きくなるように、前記パターン半導体ウエハの表面上に前記プローブビームを導くステップと、
反射データを生成するために、前記パターン半導体ウエハから反射される種々のＸ線の強度を測定するステップと、
前記薄膜層の特性を決定するために、前記反射データを解析するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記特性は、薄膜層厚を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記測定するステップは、電荷結合素子を用いることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記測定するステップは、自己走査ダイオードアレイを用いることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記測定するステップは、複線比例計数管を用いることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記測定するステップは、複数陽極マイクロチャネル検出器を用いることを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記導くステップは、曲線モノクロメータを用いて前記Ｘ線を集束し、反射することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記反射データを解析するステップは、フーリエ変換を適用することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記反射データを解析するステップは、前記反射データに変換関数を適用することを含み、更に、前記変換関数は、半導体ウエハのパターン化されない領域上でなされる測定に対応するＸ線反射データと前記反射データの比較に基づいて選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記反射データは、入射角の関数として反射Ｘ線強度を測定するデータを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
パターン半導体ウエハの薄膜層の特性を評価する方法であって、
Ｘ線のプローブビームを生成するステップと、
集束されたプローブビーム内の種々のＸ線が前記パターン半導体ウエハ表面に関する入射角の範囲を作り、前記プローブビームのスポットサイズが前記パターン半導体ウエハの前記表面上のパターンの形状の大きさに比べて大きくなるように、前記パターン半導体ウエハの表面上に前記プローブビームを集束するステップと、
前記表面に関して特定の入射角に対応する反射されたプローブビーム内のＸ線の位置で反射されるプローブビーム内の位置の関数として、種々のＸ線の強度を測定するステップと、
前記薄膜層の特性を決定するために、前記反射データを解析するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記特性は、薄膜層厚を含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記測定するステップは、電荷結合素子を用いることを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記測定するステップは、自己走査ダイオードアレイを用いることを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記測定するステップは、複線比例計数管を用いることを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
前記測定するステップは、複数陽極マイクロチャネル検出器を用いることを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
前記集束するステップは、曲線モノクロメータを用いることを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
前記反射データを解析するステップは、フーリエ変換を適用することを含むことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
前記反射データを解析するステップは、前記反射データに変換関数を適用することを含み、更に、前記変換関数は、半導体ウエハのパターン化されない領域上でなされる測定に対応するＸ線反射データと前記反射データの比較に基づいて選択されることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項２０】
パターン半導体ウエハの薄膜層の特性を評価する方法であって、
エネルギーの広域スペクトルを有するＸ線のプローブビームを生成するステップと、
前記プローブビームのスポットサイズが前記パターン半導体ウエハの表面上のパターンの形状の大きさに比べて大きくなるように、前記パターン半導体ウエハの表面上に前記プローブビームを導くステップと、
Ｘ線エネルギーの関数として反射Ｘ線強度を測定する反射データを生成するために、前記パターン半導体ウエハから反射される種々のＸ線の強度を測定するステップと、
前記薄膜層の特性を決定するために、前記反射データを解析するステップと、を有することを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記特性は、薄膜層厚を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記測定するステップは、電荷結合素子を用いることを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
前記測定するステップは、自己走査ダイオードアレイを用いることを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２４】
前記測定するステップは、複線比例計数管を用いることを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２５】
前記測定するステップは、複数陽極マイクロチャネル検出器を用いることを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２６】
前記生成するステップは、制動放射輻射を放射するＸ線源を用いることを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２７】
前記反射データを解析するステップは、フーリエ変換を適用することを含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２８】
前記反射データを解析するステップは、前記反射データに変換関数を適用することを含み、更に、前記変換関数は、半導体ウエハのパターン化されない領域上でなされる測定に対応するＸ線反射データと前記反射データの比較に基づいて選択されることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２９】
パターン半導体ウエハの薄膜層の特性を評価する装置であって、
Ｘ線のプローブビームを生成する線源と、
前記プローブビームのスポットサイズが前記パターン半導体ウエハの前記表面上のパターンの形状の大きさに比べて大きくなるように、前記パターン半導体ウエハの表面上に前記プローブビームを導く手段と、
反射データを生成するために、前記パターン半導体ウエハから反射される種々のＸ線の強度を測定する検出器と、
前記薄膜層の特性を決定するために、前記反射データを解析するプロセッサ手段と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項３０】
前記プロセッサ手段は、フーリエ変換を適用することによって前記反射データを解析する手段を含むことを特徴とする請求項２９記載の装置。
【請求項３１】
前記検出器は、入射角の関数として反射Ｘ線強度を測定するのに効果的であることを特徴とする請求項２９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
優先権
この出願は、米国仮特許出願第６０／１６２，６７９号及び第６０／１４６，８３２号の利益を要求する。これらの仮特許出願は、それぞれ１９９９年１１月１日及び１９９９年８月２日に出願され、いずれも参照によってここに組み込まれる。
【０００２】
発明の背景技術
半導体産業は、ウエハ上に形成された薄膜を測定することに継続的に関心を有する。多くの計測学装置は、これらの計測のために開発された。これらの装置の多くは、可視及び／又は紫外線領域の波長を有する放射ビームでサンプルを精査することを頼りにする。これらの装置は、これらの波長で少なくとも部分的に透過する多くの異なるタイプの膜で非常によく機能する。あいにく、（銅のような）不透明な金属膜は紫外線あるいは可視放射線を透過しないので、これらの装置は、不透明な金属膜を調査するのに有効ではない。
【０００３】
近年、Ｘ線療法で波長を用いるいくつかの技術が開発されている。これらのＸ線反射率技術（ＸＲＲ）は、可視光を用いる技術よりもいくつかの利点を有する。そのような利点の一つは、ＸＲＲが厚さ３０オングストローム以下のオーダの超薄膜の膜厚を測定することができることである。可視光は、その波長のために干渉縞を用いてそのような超薄膜の調査には相応しくない。しかしながら、ＸＲＲシステムは、むしろ、およそ１．５オングストロームの波長で放射を用い得る。その放射は、そのような超薄膜を調べるときでさえ、適当な干渉縞を作り出す。加えて、ＸＲＲは、膜が金属や金属化合物のような光に不透明な材料から構成されるところで適当に用いられ得る。ＸＲＲ方法のもう一つの可能な応用は、放射ビームのグレージング角のみがプロセスチャンバ内のサンプルをモニタするために用いられ得る原位置モニタとしてである。最終的に、ＸＲＲは、あるポリマ、フッ化炭素化合物、及びエーロゲルのような、低い誘電率と相応して低い屈折率を有する材料からなる膜の密度と厚さを測定するために相応に用いられ得る。
【０００４】
好ましいＸＲＲ技術は、参照によりここに組み込まれる、１９９７年４月８日に発行された米国特許第５，６１９，５４８号に記述される。図１は、この好ましい技術を示す。（同じく、１９９７年１１月２１日に発行された日本特許第２，７２０，１３１号参照）
【０００５】
図１において、好ましいＸ線散乱システムは、３５ａ、３５ｂ、及び３５ｃとして示される複数のＸ線を備えるＸ線束３３を作り出すＸ線源３１を含む。Ｘ線反射器３７は、Ｘ線束３３の行路に配置される。その反射器３７は、ステージ４５によって固定位置に保持され、基板４３上に位置される薄膜層４１を典型的に含むテストサンプル３９にＸ線束３３を注ぐ。結果的に、複数の反射Ｘ線５７Ａ、５７Ｂ、及び５７Ｃ（束５５を形成する）は、異なる入射角でテストサンプル３９の薄膜層４１に同時に照射する。Ｘ線反射器３７は、好ましくは、モノクロメータである。単結晶モノクロメータ中のＸ線の入射束３３の回折は、ブラッグ条件がその狭い帯域で満足するように、入射波長スペクトルの狭い帯域のみがサンプル３９に到達することを可能にする。結果として、テストサンプル３９に向けられる複数のＸ線５７Ａ、５７Ｂ、及び５７Ｃも同じく単色である。検出器４７は、テストサンプル３９から反射されたＸ線を感知するとともに、感知Ｘ線の輝度及び入射角に対応する信号を作るために配置される。プロセッサ６０は、厚さ、密度及び表面粗さを含む薄膜層の構造の種々の特性を決定するために、検出器に接続され、検出器によって作られる信号を受信する。
【０００６】
基本システムでは、Ｘ線放射のプローブビームは、それが少なくとも部分的に反射されるように選択された角度でサンプルに衝突するように向けられる。サンプルは、典型的に、１以上の薄い金属層によって被覆された基板からなってもよい。臨界角（Ψｃ）（サンプルの表面と入射光線との間で計測されるように）以下の非常に浅い角度で、すべてのＸ線放射が反射されるであろう。入射ビームの入射角がサンプル表面に関して増加するにつれて、放射の入射量は、上部金属層を通して伝搬され、反射光の量は減少するであろう。金属層を通して伝搬されるある放射は、金属膜及び基板の間の界面に達し、基板に反射されるであろう。
【０００７】
金属膜層と基板の間の界面で反射される放射は、干渉効果を示す反射曲線を生み出して、干渉するであろう。図２は、２つのそのような角度反射スペクトルを示す。上部スペクトル曲線Ｓ２は、基板上にタンタル層のものであり、底部スペクトル曲線Ｓ１は、基板上に銅のものである。この変動は、測定信号Ｓ１及びＳ２における干渉縞１８の出現を起こす。反射率がそんなに小さい（典型的に、１より遙かに小さい）ので、多重反射は、Ｘ線反射信号において比較的検出できない効果を有する。両曲線では、Ψを増やすことで反射率は急激に減少する。
【０００８】
実際には、Ｘ線の入射角は、Ｘ線源を移動し、あるいはサンプルを傾けることによって変化され得る。上述の先行技術では、多数のＸ線入射角は、線源放射を集束することによって作り出され得る。それは、異なる入射角でサンプルに衝突するために、ビーム内の光線を曲げるように機能する。
【０００９】
線源とサンプルの間の角度を積極的に変更することを要求する従来のＸ線反射器あるいはＸＲＲ提案で用いられ得るけれども、主発明の概念は、同時に多数の入射角実施例、すなわち、高速Ｘ線反射計あるいは「ＲＸＲＲ」提案で最も好ましく用いられる。
【００１０】
また、主発明は、Ｘ線エネルギーの広域スペクトルが固定角度で適用されるエネルギー分散方式技術に適用され得る。そのような広域スペクトルＸ線放射は、回転陽極の制動放射輻射によって適当に生成され得る。Ｘ線反射は、各エネルギーで計測される。そのようなエネルギー分散方式Ｘ線技術は、Chason他のPhys. Rev. Lett. 72, 3040（１９９４年）及びChason他のAppl. Phys. Lett. 60, 2353（１９９２年）に記述される。これらはそれぞれ全部参照にここに組み込まれる。
【００１１】
金属層の測定は、半導体パターンウエハ上では非常に困難である。ＸＲＲ又はＲＸＲＲの典型的な測定スポットサイズは１ｍｍ以上である。パターンウエハの形状が１ミクロンオーダーであり、パターンウエハ上のテストサイトでさえ１００ミクロンより一般的に小さい寸法を有するので、パターンウエハ上の単一又は二層金属厚の正確な決定は、非常に困難であると信じられていた。
【００１２】
ここに記述される提案は、パターンウエハ上の形状より大きい１ｍｍスポットサイズをさらに用いて、パターンウエハ上の１、２又はそれ以上の層（不透明なあるいは誘電性の金属）厚を測定する可能性を提供する。
【００１３】
発明の概要
主発明の教示は、ＸＲＲ及びＲＸＲＲシステムの新しい応用を導く。特に、そのようなシステムが形状が測定スポットよりも小さいパターンかウエハ上の種々の薄膜（誘電性で、不透明な金属膜の両方）の厚さを測定するために用いられ得る。概して、本発明の一面は、ＸＲＲ及びＲＸＲＲシステムがテストウエハ上のみならず、同様にパターンウエハ上においても用いられ得るという認識である。ここで特定の技術は、この基本概念を単純化し、拡張するのを助けるように意図される。しかしながら、この開示の前に、誰も小さい形状を持つパターンウエハにおいてそのようなシステムを用いようと試みたことを我々が知らないことを理解されたい。
【００１４】
図５は、シリコン基板２２、誘電体層２４及び金属層２６から成るパターンウエハ２０を示す。図に示すように、金属層２６の厚さは一定であるが、その下の酸化物層２４は、Ｘ線ビーム３０からスポットの径全体にわたって厚さが劇的に変化する。実際に量を定めることを困難にさせるこのような変化にかかわらず、金属層２６の厚さがＸＲＲ又はＲＸＲＲ技術を用いてさらに正確に決定され得ることが、見出された。
【００１５】
数学的解析は、Ｘ線反射信号は、主として、金属層の上部表面と、金属層と酸化物層の境界との間の干渉による効果から来るので、このような結果が達成され得ることを示していた。非常に小さい信号となるのは、上述のように、酸化物層の厚さが際立って変化することによるものである。酸化物層からの信号があまりに小さいという理由の一部は、そのような比較的厚い層のために、どの縞もそれらが見られないほど互いに近いことであろう。加えて、上述のように、反射率があまりに小さいので、多重反射は、Ｘ線反射信号において相対的に検出できない程度の影響を及ぼす。上記を考慮すると、層の厚さの決定ができるようにしたまま、パターンウエハからの信号の数学的モデリングを、単純化することができる。
【００１６】
好ましい実施の形態の詳細な記述
薄膜の所定のサンプルのために、Ｘ線反射は、Ｘ線波長（λ）、入射角、並びに、層を作る材料の厚さ及び光学的特性の関数であるフレネルの式モデリングを用いて決定され得る。典型的に、全反射が起こる臨界角は、非常に小さい（およそ０．１〜０．５°）。入射角が臨界角以上に増加されるにつれて、反射率が非常に急速に落ちるので、小さい角Ｘ線反射は、実験的に重要である。小さい角近似（ｓｉｎΨ≒Ψ）の下で、層ｎ−１と層ｎの間の界面におけるＸ線反射の再帰方程式は、以下のように与えられる：
【式１】
0004824888.tif 000002
ここで、Ｆn-1,n＝（ｆn-1−ｆn）／（ｆn-1＋ｆn）であり、
ａn＝exp（（−ｉπ／λ）ｆnｄn）である。
【００１７】
ここで、ｄnは、層ｎの厚さであり、Ψc（ｎ）は、層ｎの材料上に入射される波長λのＸ線のために全反射が起こる入射角である。
【００１８】
ｆnは、ｆn＝Ａn−ｉＢnによって与えられ、ここで、
【式２】
0004824888.tif 000003
であり、βn＝λμn／４π、ΨはＸ線の入射角であり、μnは、層ｎの線吸収係数である。
【００１９】
これらの再帰方程式は、薄膜スタックの底から始めて、基板に対応する層ｎ＝ＮでＲN,N+1を０に設定し、結果として生じる再帰方程式を実行することによって解く。真空に対応する層ｎ＝１で、その複素共役を持つＲ１，２の積｜Ｒ１，２｜２は、入射Ｘ線強度に対する反射Ｘ線強度の比で与えられる。
【００２０】
界面の深さからの複雑化及び微視的表面粗さと同様に、伝統的なフルネルの式に基づくＸ線反射の理論モデリングは、次の参考文献、すなわち、L. G. ParrattのPhys. Rev. 95, 359 （１９５４年）、C.A. Lucas他のJ. Appl. Phys. 63, 1936 （１９８８年)、及びM. ToneyとS. BrennanのJ. Appl. Phys. 66, 1861（１９８９年）においてより詳細に記述される。これらはそれぞれ全部参照によりここに組み込まれる。
【００２１】
ＸＲＲを用いてパターン半導体ウエハの膜厚を測定する一提案は、測定されたＸ線反射曲線がパターンの構造よりもむしろ層の厚さに主として帰され得るという認識に頼る。ＸＲＲ測定に用いられるＸ線の波長は、数オングストロームのオーダーである。１０，０００オングストロームのオーダーであるパターンウエハの形状に比較して、その波長は非常に小さい。それゆえ、パターン自体の構造からの干渉効果は重要ではない。
【００２２】
例えば、一つは、図５に示されるような垂直断面を有する一タイプの線形パターンのラインに垂直な入射平面を持つＸ線を考慮してもよい。干渉効果が比較的重要でないので、Ｘ線反射曲線の形状は、同じ層を有するパターン化されていない半導体ウエハのそれと比較して、パターンによって相対的に変化していない。最も顕著な効果は、凹部の側面及び底に入射する光の一部が反射信号にあまり貢献しないので、反射Ｘ線強度が一般に減少され得るということである。凹部の深さが測定される層の厚さに比べて大きいとき、全体的強度の減少以上にＸ線反射曲線における小さい変化のみが見られる。
【００２３】
ここで用いられるように、「パターンウエハ」又は「パターン半導体ウエハ」は、Ｘ線プローブビームのスポットサイズよりも小さいサイズの人為的パターンをウエハの表面に有する半導体ウエハを意味する。上述のように、典型的に、プローブビームの測定スポットサイズは、１ｍｍ以上であるが、パターンの形状は、大きさで１ミクロンのオーダーであり、パターンウエハ上のテストサイトでさえ、１００ミクロンより典型的に小さい直径を有する。従って、Ｘ線プローブビームスポットサイズとパターンウエハ上のテストサイトのサイズとを区分するものとして、通常は少なくとも一桁分のオーダーのサイズの差がある。
【００２４】
パターンウエハのＸ線反射曲線の解析は、類似した層を有するパターン化されない（パターンのない）ウエハ上でなされる測定との比較を通して、大いに単純化され得る。パターンのない比較ウエハは、単に、パターンウエハ上のパターンのない領域であってもよく、このパターンのない領域はパターンウエハと同様の積層がなされている。図３は、タンタルの境界層の上部に銅の最外殻層を有するパターンのないウエハでなされる測定からのＸ線反射データのグラフを示す。そのグラフは、対数目盛で入射角の関数として反射率を示し、実際には、米国特許第５，６９１，５４８号に記述されるタイプのＸＲＲ装置を用いてなされた５つの測定実行から５つの重ね合わされた曲線を示す。
【００２５】
図６は、銅及びタンタルの最外殻層を同じく有するパターンウエハ（実際には、図３を作るために測定した同じウエハ上のパターン領域）でなされた測定からのＸ線反射データのグラフを示す。そのグラフは、対数目盛で入射角の関数として反射率を示し、さらに、５つの測定実行から５つの重ね合わされた曲線を示す。
【００２６】
図３及び図６の形状の類似性は顕著である。本発明によれば、パターンウエハの解析は、データの比較的単純な変換を通してパターンのないウエハを解析する問題に帰することができる。そのようなデータの変換を適用する結果は、以下の図表に要約される。
【００２７】
パターン化されないウエハにおける５つの測定
及びパターンウエハにおける５つの測定
（ＰＶＤ銅シード／タンタルバリアを持つ姉妹ウエハ）
【表１】
0004824888.tif 000004
【００２８】
フルネルの式モデリングは、パターン化されないウエハの層厚を見出すために反射率データに適用された。そして、その結果は、上記表の右部分で報告される。必要なパラメータは、周知のMarquardt-Levenbergアルゴリズムのような反復非線形最小二乗最適化技術を通して見出されうる。この目的のための最適な反復最適化技術は、Fanton他の「ビームプロフィール反射計を用いる薄膜のマルチパラメータ測定」、応用物理学会誌第７３巻第１１号７０３５頁（１９９３年）及びLeng他の「分光測光法及びビームプロフィール反射計を用いる絶縁膜スタックにおけるシリコン６層の同時測定」、応用物理学会誌第８１巻第８号３５７０頁（１９９７年）に記述される。これら２つの論文は、全部参照によってここに組み込まれる。
【００２９】
パターンウエハデータの場合、パターンウエハ反射曲線ＲＰ（θ）とパターン化されないウエハ反射曲線ＲＵ（θ）の近い類似度に基づいて、単純な変換が適用される。（ここで、θは入射角であるが、波動ベクトル移動のような他の従属変数も用いられ得る。）変換関数Ｔ（θ）は、ＲＰ（θ）×Ｔ（θ）がＲＵ（θ）に密接に近づくように選択される。ＲＰ（θ）とＲＵ（θ）の類似は、Ｔ（θ）が適切にθの単純な線形関数にであり得るようである。しかしながら、例えば、Ｔ（θ）が適切にθの二次方程式又は三次関数、あるいは角スペクトルの異なる部分の関数のような「スプライシング」であり得るように、より複雑な関数も選択され得る。
【００３０】
単純な線形変換関数Ｔ（θ）を用いて、パターンウエハのデータは変換された。その点で、パターン化されないウエハに適用された同じフルネルの式モデリングは、パターンウエハの層厚を見出すために、変換された反射率データに適用された。その結果は、上記表の左部分で報告される。必要なパラメータは、再び、周知のMarquardt-Levenbergアルゴリズムのような反復非線形最小二乗最適化技術を通して見出され得る。
【００３１】
層厚が決定されると、Ｒ−Ψ曲線を解析することができ、密度と表面及び界面粗度の値を得ることができる。
【００３２】
パターン化されないウエハの層厚を見出すもう一つの提案は、フーリエ変換解析を用いることである。フーリエ変換解析は、Seeck他のAppl. Phys. Lett. 76, 2713（２０００年）においてポリマー系の層厚を見出すために適用された。それは全部参照によってここに組み込まれる。指数フーリエ変換は、入射角よりもむしろ従属変数として波動ベクトル移動ｑｚを用いて適用される。ここで、ｑｚは、反射光線波動ベクトルと入射光線波動ベクトルの間の差として定義される。特に、変換関数Ｆ（ｄ）が用いられる。ここで、ｄは層厚を表し、Ｆ（ｄ）は以下のように与えられる：
【式３】
0004824888.tif 000005
【００３３】
そのようなフーリエ変換解析が適用されるとき、変換関数曲線のピークは、サンプルの電子密度が急速に変化する領域に対応する。換言すれば、変換関数のピークは、層界面間の距離を示す。フーリエ変換アプローチは、非常に有力であり、同様の積層を持つパターンのないウエハからのデータを参照することなく、パターンウエハからのデータに適用され得る。フーリエ変換技術は、O. Glatter及びO. Kratkyの「小さい角Ｘ線散乱」アカデミックプレス社（１９８２年）の１２６〜１３６頁において幾分詳細に記述される。これらの頁は、全部参照によってここに組み込まれる。
【００３４】
もう一つの提案では、異なる縞形態がデータ中に認識できるとき、パターンウエハ上の金属膜の層厚は、次のような修正ブラッグの式との照合によって決定され得る：
ｓｉｎ２Ψｉ＝ｓｉｎ２Ψｃ＋（ｉ＋１／２）２（λ／２ｄ）２
ここで、「Ψｉ」は縞最大がある角度であり、Ψｃは臨界角であり、ｉは値１，２，３，・・・を持つ正の整数であり、λはＸ線は長であり、ｄは層厚である。
【００３５】
Ψｉ及びΨｃが非常に小さい角度であり、修正ブラッグの式がΨｃ＝０を含むすべての臨界角で有効でなければならないので、この近似値では、隣接する界面縞間の角間隔は、所定の厚さｄで一定であり、以下によって与えられる：
ΔΨ＝λ／２ｄ
【００３６】
この提案を用いて、厚さｄ（ΔΨ）＝λ／（２ΔΨ）は、曲線の各縞間隔に結び付けられ得る。入射角が増加するにつれて近似ブラッグ式がより確かになるので、漸近解析は、増加するθの関数としてｄ（ΔΨ）をプロットし、漸近線を推定することによって、真の厚さｄを見出すために適用され得る。
【００３７】
所定の層（又は多層）からの干渉縞が認識できることを保証するために、多くの方法が用いられ得る。これらの方法は以下のものを含む。
【００３８】
ａ．所定の層（又は多層）の干渉縞を最大にするための適切なＸ線波長の使用。例えば、タングステン源からのＸ線は、銅及びタンタル薄膜層でうまく機能することが分かった。選択されるＸ線波長は、すべての界面からの反射が外部的に観察される信号において効果を有するように、試験中多層構造を通して完全に貫通する。しばしば、その放射がキー多層構成の吸収端の低エネルギー（高透過）の側であるように、Ｘ線管ターゲット要素が選択される。好ましくは、多層構成及び選択されたＸ線波長は、種々の多層構成の反射スペクトルへの貢献の間の高レベルの対比があるようにである。
銅及びタングステンＸ線の両方が特にうまく銅及びタンタル薄膜を貫通し、半導体産業で用いられるタンタル上の銅（又は窒化タンタル）構造を計測するための候補波長を表す。これらについて、タングステン、すなわち、耐火金属は、Ｘ線管ターゲットとして用いられるとき一層信頼性が高く、長く続いて、適用のために選ばれた。
【００３９】
ｂ．必要ならば、所定のフルの厚さ範囲を覆い、あるいは、１層以上からより容易に縞を識別するための１以上のＸ線波長の使用。
【００４０】
ｃ．縞対比を最大にするようにパターン特性に関してすれすれのＸ線ビームの適切な方向でウエハを放射線処理する。例えば、線パターンの場合、ビームは、入射面が線パターンのラインに平行であるように、方向付けられ得る。
【００４１】
ｄ．基礎を為す層からの競合縞信号を最小にするための適切なＸ線波長の使用。
【００４２】
基本的な例では、タンタルの薄いバリア層の上部に銅からなる層スタックを想定する。我々が適切なＸ線波長λを注意深く選ぶならば、銅の単層（Ｓ１）及びタンタルの単層（Ｓ２）のためのＲ−Ψ曲線（図２に示される）を得るかもしれない。タンタルが銅より密であるので、その曲線Ｓ２の縞は、より高いΨ値である。同じく、タンタル層が銅層より薄いので、タンタル曲線Ｓ２の干渉縞は、更に離れて離隔される。
【００４３】
図３は、タンタル層が銅層の下に見出されるときを測定するＲ−Ψ曲線Ｓ３を表す。（図４はこの層構造を示す。）図３に見られるように、より低いΨ領域では銅の縞だけあるが、より高いΨ領域ではタンタル縞が銅縞よりかなり強いので、銅及びタンタルの両方の干渉縞が、個々に認識できる。
【００４４】
上述のように、銅及びタンタル縞の両方間の間隔は、基礎を為す層あるいは粗度に強く依存しない。従って、銅及びタンタルの両層の厚さは、パターンウエハ上でさえ縞間隔から明白に決定され得る。この方法を用いて決定された層厚は、１ｍｍの測定領域にわたっての平均厚さであろう。しかしながら、沈積層の厚さが典型的に１ｍｍの寸法にわたってあまり変化しないので、この測定平均は妥当である。また、パターンウエハ上に存在するわずかなトポグラフィ（地形）が厚さ測定に顕著に影響を与えないことに気付かれたい。
【００４５】
正しいＸ線波長の選択は、２層の構成及び評価するのに必要な厚さ範囲に依存する。理想的には、一つの波長は、両層の要求される厚さ範囲における所定の２層からの干渉縞の明白な測定を可能にする。
【００４６】
しかしながら、それは、上記基準を満たす一つの波長を見出すことができないということかもしれない。その場合、２つのＸ線波長は、スタックにおける一つの層上の良い縞データを提供する一つの波長と、スタックにおける他の層上の良い縞データを提供する他方で用いられ得る。両データセットを用いて、両層の厚さが決定され得る。実際には、縞間の間隔を解析するとき、測定縞分離と予測縞分離とを比較するために、従来の最小二乗法ルーチンを用い得る。
【００４７】
２つのＸ線波長を作り出すために、２つのＸ線源を用いる必要があるかもしれない。これらの２つの線源は、タレット（例えば）上にその線源を据え付け、ウエハの同一領域について一連の測定のために同位置に各線源を導くことによって、連続的に用いられ得る。その代わりに、離れた９０°の位置で２つの線源を据え付け、同一領域上に両放射ビーム焦点を同時に持つことができる。
【００４８】
必要ならば、例えば、２以上の層を含む層スタック上の金属層を扱うとき、この概念は、２以上のＸ線源に拡張され得る。同様に、２以上の個々の線源の代わりに多線Ｘ線源を用いることもできる。多線Ｘ線源は、２以上の要素から成るＸ線ターゲットを用いることによって作られてもよい。また、シンクロトロン又は加速装置のような連続的なＸ線源を用いることもできる。
【００４９】
上述の同一の概念は、誘電性で透過するあるいは部分的に吸収する薄膜に同等の有効性で適用され得る。そのような薄膜は、分光測定法、反射計及び偏向解析法のような従来の光学的方法で測定され得るけれども、ＸＲＲ又はＲＸＲＲがより効果的であり得る場合もある。これらの場合は、光学的パラメータが知られず、あるいは正確に決定できないときでさえ、膜厚が計算される必要がある状況を含む。これは、部類分けされた光学的パラメータや空間的に変化するパラメータを持つ薄膜を持つ場合である。
【００５０】
本発明の範囲は、次の特許請求の範囲に示されるもの及びその同等物であると意図され、上述のあらゆる特定の実施の形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  好ましいＸ線反射計システムを示す。
【図２】  ２つの異なるサンプル、すなわち、銅層を持つ一つとタンタル層を持つ一つからの反射データのための、サンプルへの入射角の関数であるサンプルＸ線反射の正規化グラフを示す。
【図３】  銅とタンタルの両層を持つパターン化されないサンプルからの反射データのための、サンプルへの入射角の関数であるサンプルＸ線反射のグラフを示す。
【図４】  半導体基板上に銅層とタンタル層を持つサンプルの単純化された断面図及び三層の界面からのＸ線の反射を示す。
【図５】  パターンウエハサンプル上の境界の線パターンの断面図及びサンプルの表面へのＸ線の入射を示す。
【図６】  パターンウエハサンプルからの反射データのための、サンプルへの入射角の関数であるサンプルＸ線反射のグラフを示す。
【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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