(57)【要約】【課題】  １回の測定で迅速かつ高精度なＸ線での応力測定方法および測定装置を提供する。【解決手段】  Ｘ線源１から出力されたＸ線の光路上に保持された試料４にＸ線を入射して、試料から生じる回折Ｘ線５を検出する位置感応型Ｘ線検出器７を用いたＸ線応力測定方法であって、試料を透過した回折Ｘ線５を位置感応型Ｘ線検出器で検出することで試料の残留応力を測定する。測定試料の膜厚を薄くして透過Ｘ線で回折Ｘ線を測定することにより、基準となる入射Ｘ線２も位置感応型Ｘ線検出器に記録されるため、回折Ｘ線パターンを正確に読み取ることができる。このように回折Ｘ線の測定の基準となる入射Ｘ線の位置を正確に把握できるため、迅速かつ高精度な応力測定が可能となる。【選択図】  図１
2005201804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線源から出力されたＸ線の光路上に保持された試料にＸ線を入射して、前記試料から生じる回折Ｘ線を検出する位置感応型Ｘ線検出器を用いたＸ線応力測定方法であって、
前記試料を透過した回折Ｘ線を前記位置感応型Ｘ線検出器で検出することで前記試料の残留応力を測定することを特徴とするＸ線応力測定方法。
【請求項２】
前記試料の膜厚が２００μｍ以下である請求項１記載のＸ線応力測定方法。
【請求項３】
Ｘ線源から出力されたＸ線の光路上に保持された試料にＸ線を入射して、前記試料から生じる回折Ｘ線を検出する位置感応型Ｘ線検出器を用いたＸ線応力測定方法であって、
前記試料を透過した前記入射Ｘ線の光路上に設けた２枚のスリットの検出強度が最大となる位置関係から前記位置感応型Ｘ線検出器に対する前記入射Ｘ線の入射角度を求める工程と、
前記入射角度から前記位置感応型Ｘ線検出器に対して垂直に前記入射Ｘ線が入射するように前記位置感応型Ｘ線検出器の向きを調整する工程と、
前記調整後に前記試料を透過した回折Ｘ線を前記位置感応型Ｘ線検出器で検出することで前記試料の残留応力を測定する工程とを含むＸ線応力測定方法。
【請求項４】
Ｘ線源から出力されたＸ線の光路上に保持された試料にＸ線を入射して、前記試料から生じる回折Ｘ線を位置感応型Ｘ線検出器で検出することで前記試料の残留応力を測定するＸ線応力測定装置であって、
前記試料を透過した前記入射Ｘ線の光路上に設けた２枚のスリットの検出強度が最大となる位置関係から前記位置感応型Ｘ線検出器に対する前記入射Ｘ線の入射角度を求め、前記入射角度から前記位置感応型Ｘ線検出器に対して垂直に前記入射Ｘ線が入射するように前記位置感応型Ｘ線検出器の向きを調整する制御機構を備えたＸ線応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、Ｘ線を使用して材料、特に半導体デバイスを構成する配線材料の応力を測定するＸ線応力測定方法およびＸ線応力測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスに使用される配線は、集積度の向上に伴い微細化され、サブミクロンの配線幅で形成される。このような微細配線は、上下層に形成された層間絶縁膜であるシリコン酸化膜に囲まれているため微細配線に大きな応力が発生する。このため、配線の金属原子が応力によって移動し、配線に断線不良が発生する。いわゆるストレスマイグレーションの発生である。このような微細配線の断線不良の発生を防ぐためにＸ線による配線の応力の測定が試みられている。
【０００３】
Ｘ線回折法を利用して、金属材料等の表面の残留応力を求めるＸ線応力測定装置は従来から知られている。最も一般的な応力測定方法としてｓｉｎ2ψ法が用いられている。
【０００４】
しかしｓｉｎ2ψ法は試料に対するＸ線の入射角を変化させ、各入射角における特定結晶格子面による回折線の回折角を測定する必要がある。そのため測定に要する時間が長くなる問題がある。
【０００５】
そこで１回の測定で試料の応力が測定できる方法が提案されている（例えば特許文献１および２)。これらの方法はＸ線フィルム、位置感応型Ｘ線検出器などの２次元的な記録方式を利用して１回の測定で応力解析に必要なデータを得る方法である。
【特許文献１】特開２００1−５６３０３号公報
【特許文献２】特開平１０−４８１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のＸ線応力測定方法では、試料中の結晶格子面で回折して試料表面から反射した回折Ｘ線を位置感応型Ｘ線検出器などで測定している。反射した回折Ｘ線を測定した場合、回折Ｘ線の位置を読み取る際の基準点となる入射Ｘ線は検出器には記録されないため、基準点が明確でなく測定精度が劣るという問題があった。
【０００７】
したがって、この発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、１回の測定で迅速かつ高精度なＸ線でのＸ線応力測定方法およびＸ線応力測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するためにこの発明の請求項１記載のＸ線応力測定方法は、Ｘ線源から出力されたＸ線の光路上に保持された試料にＸ線を入射して、前記試料から生じる回折Ｘ線を検出する位置感応型Ｘ線検出器を用いたＸ線応力測定方法であって、前記試料を透過した回折Ｘ線を前記位置感応型Ｘ線検出器で検出することで前記試料の残留応力を測定する。
【０００９】
請求項２記載のＸ線応力測定方法は、請求項１記載のＸ線応力測定方法において、前記試料の膜厚が２００μｍ以下である。
【００１０】
請求項３記載のＸ線応力測定方法は、Ｘ線源から出力されたＸ線の光路上に保持された試料にＸ線を入射して、前記試料から生じる回折Ｘ線を検出する位置感応型Ｘ線検出器を用いたＸ線応力測定方法であって、前記試料を透過した前記入射Ｘ線の光路上に設けた２枚のスリットの検出強度が最大となる位置関係から前記位置感応型Ｘ線検出器に対する前記入射Ｘ線の入射角度を求める工程と、前記入射角度から前記位置感応型Ｘ線検出器に対して垂直に前記入射Ｘ線が入射するように前記位置感応型Ｘ線検出器の向きを調整する工程と、前記調整後に前記試料を透過した回折Ｘ線を前記位置感応型Ｘ線検出器で検出することで前記試料の残留応力を測定する工程とを含む。
【００１１】
請求項４記載のＸ線応力測定装置は、Ｘ線源から出力されたＸ線の光路上に保持された試料にＸ線を入射して、前記試料から生じる回折Ｘ線を位置感応型Ｘ線検出器で検出することで前記試料の残留応力を測定するＸ線応力測定装置であって、前記試料を透過した前記入射Ｘ線の光路上に設けた２枚のスリットの検出強度が最大となる位置関係から前記位置感応型Ｘ線検出器に対する前記入射Ｘ線の入射角度を求め、前記入射角度から前記位置感応型Ｘ線検出器に対して垂直に前記入射Ｘ線が入射するように前記位置感応型Ｘ線検出器の向きを調整する制御機構を備えた。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の請求項１記載のＸ線応力測定方法によれば、試料を透過した回折Ｘ線を位置感応型Ｘ線検出器で検出することで試料の残留応力を測定するので、測定試料の膜厚を薄くして透過Ｘ線で回折Ｘ線を測定することにより、基準となる入射Ｘ線も位置感応型Ｘ線検出器に記録される。このため、回折Ｘ線パターンを正確に読み取ることができる。このように、回折Ｘ線の測定の基準となる入射Ｘ線の位置を正確に把握できるため、迅速かつ高精度な応力測定が可能となる。これによって半導体デバイスを構成する薄膜の応力評価が容易となり、応力を低減した半導体デバイスの製造が可能となり、信頼性の高い半導体デバイスの生産ができる効果がある。
【００１３】
請求項２では、試料の膜厚が２００μｍ以下であるので、透過Ｘ線を用いて応力測定が可能となる。
【００１４】
この発明の請求項３記載のＸ線応力測定方法によれば、試料を透過した入射Ｘ線の光路上に設けた２枚のスリットの検出強度が最大となる位置関係から位置感応型Ｘ線検出器に対する入射Ｘ線の入射角度を求める工程と、入射角度から位置感応型Ｘ線検出器に対して垂直に入射Ｘ線が入射するように位置感応型Ｘ線検出器の向きを調整する工程と、調整後に試料を透過した回折Ｘ線を位置感応型Ｘ線検出器で検出することで試料の残留応力を測定する工程とを含むので、位置感応型Ｘ線検出器に垂直に入射Ｘ線を入射させることができる。このため、入射Ｘ線と回折Ｘ線との位置感応型Ｘ線検出器上での距離が等しくなることで、正確に回折パターンの読み取りが可能となるため、迅速にかつ高い精度での応力測定が可能となる。これによって半導体デバイスを構成する薄膜の応力評価が容易となり、応力を低減した半導体デバイスの製造が可能となり、信頼性の高い半導体デバイスの生産ができる効果がある。
【００１５】
この発明の請求項４記載のＸ線応力測定装置によれば、試料を透過した入射Ｘ線の光路上に設けた２枚のスリットの検出強度が最大となる位置関係から位置感応型Ｘ線検出器に対する入射Ｘ線の入射角度を求め、入射角度から位置感応型Ｘ線検出器に対して垂直に入射Ｘ線が入射するように位置感応型Ｘ線検出器の向きを調整する制御機構を備えたので、回折Ｘ線の測定の基準となる入射Ｘ線の位置を正確に把握でき、迅速かつ高精度な応力測定が可能となる。また、位置感応型Ｘ線検出器が入射Ｘ線に対し垂直になるように制御機構で調整することができる。これにより、入射Ｘ線と回折Ｘ線との位置感応型Ｘ線検出器上での距離が等しくなることで、正確に回折パターンの読み取りが可能となるため、迅速にかつ高い精度での応力測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態のＸ線応力測定方法の説明図である。
【００１７】
図１において１はＸ線発生装置、２はＸ線発生装置１から射出された入射Ｘ線、３は入射スリット、４は測定試料、５は透過した回折Ｘ線、６はＸ線照射点、７は位置感応型Ｘ線検出器、８はパーソナルコンピュータである。本実施形態は、試料４から生じる回折Ｘ線５を検出する位置感応型Ｘ線検出器７、パーソナルコンピュータ等を備えたＸ線回折装置を用いたＸ線応力測定方法である。
【００１８】
すなわち、Ｘ線発生装置（Ｘ線源）１から射出された入射Ｘ線２はスリット３を通じて、Ｘ線の光路上に保持された測定試料４に照射される。試料４の特定結晶格子面によって回折Ｘ線５が生じる。試料４の膜厚は２００μｍ以下であることが望ましい。このように試料４の膜厚を薄くして、透過した回折Ｘ線５を位置感応型Ｘ線検出器７で検出することによって試料４の残留応力を測定する。図１において回折Ｘ線５は一本の直線で示しているが、Ｘ線照射点６を頂点とするコーン状の領域を回折Ｘ線５は進行する。このコーン状の回折Ｘ線５を位置感応型Ｘ線検出器７で検出する。この検出された回折像はパーソナルコンピュータ８へ送られて画像処理などが施され、回折パターンから試料4の残留応力が所定の演算処理によって求められる。実際の応力計算は上記の特許文献１に記載されている計算方法を用いて求めることができる。
【００１９】
このように本発明の実施形態のＸ線応力測定方法では、透過Ｘ線を用いているため、回折Ｘ線パターンとともに入射Ｘ線２も同時に位置感応型Ｘ線検出器７に記録されている。このため、正確に回折Ｘ線パターンを読み取ることができ、これによって高い精度での応力測定が可能となる。
【００２０】
次に第１の実施形態の変形例を図２〜図５に基づいて説明する。上記第一の実施形態において、図２に示すようにＸ線２が位置感応型Ｘ線検出器７に垂直に入射していない場合、次のような問題がある。
【００２１】
図３に示すとおり、位置感応型Ｘ線検出器７に対し垂直に入射Ｘ線２が入射している場合、入射Ｘ線２と回折Ｘ線５ａ，５ｂとの位置感応型Ｘ線検出器７上での距離１０ａ，１０ｂは等しい。９ａ，９ｂは回折角である。しかし、図４に示すとおり入射Ｘ線３が位置感応型Ｘ線検出器７に対し斜めに入射した場合は、入射Ｘ線２と回折Ｘ線５ａ，５ｂとの位置感応型Ｘ線検出器７上での距離１１ａ，１１ｂが等しくならない問題がある。
【００２２】
この場合、図５に示すように位置感応型Ｘ線検出器７を入射Ｘ線２に対し垂直になるようにすれば、入射Ｘ線２と回折Ｘ線５ａ，５ｂとの位置感応型Ｘ線検出器７上での距離１２ａ，１２ｂが等しくなる。
【００２３】
この発明の第２の実施形態を図６〜図９に基づいて説明する。図６は本発明の第２の実施形態のＸ線応力測定方法の説明図である。本実施形態は上記の第１の実施形態の課題を解決するものである。
【００２４】
図６において、１〜８の構成は図１の第１の実施形態と同じであり、その説明を省略する。ここで１３はスリット、１４は位置感応型Ｘ線検出器７の向きを調整する調整器（制御機構）である。
【００２５】
図６に示すように、第２の実施形態では試料４を透過した入射Ｘ線２の光路上に設けた２つのスリット１３で位置感応型Ｘ線検出器７に対する入射Ｘ線２の入射角を求め、この入射角から位置感応型Ｘ線検出器７に対する入射Ｘ線２の入射角が垂直になるように調整器１４で位置感応型Ｘ線検出器７の向きを調整する。調整後に試料４を透過した回折Ｘ線５を位置感応型Ｘ線検出器７で検出することで試料４の残留応力を測定する。
【００２６】
以下、入射Ｘ線２に対して位置感応型Ｘ線検出器７を垂直に向ける調整方法について図７〜９を用いて説明する。ここで１５は機械的な中心軸と入射Ｘ線２とがなす角度である。図７〜９では説明を分かり易くするためにｘ軸とｙ軸との縮尺は異なっている。また、本来３次元であるが説明を容易にするため、２次元で説明する。
【００２７】
まず、図７に示すとおりスリット１３ａのみを光路上に入れ、検出強度が最大になるようにスリット１３ａの位置を調整する。次に図８に示すように、スリット１３ｂを光路上に入れ、検出強度が最大になるようにスリット１３ｂの位置を調整する。この時の２つのスリット１３ａ，１３ｂの位置関係から入射Ｘ線の入射角１５を求める。この場合、２つのスリット１３ａ，１３ｂのｘ軸方向の間隔は３００ｍｍであり、スリット１３ａ，１３ｂのｙ軸方向の差は０．１ｍｍである。これより入射Ｘ線２の入射角度１５が０．０２度であることが分かる。
【００２８】
続いて図９に示すように位置感応型Ｘ線検出器７が入射Ｘ線２に対し垂直になるように調整器１４で調整する。
【００２９】
このように本実施形態のＸ線応力測定装置では、試料を透過した回折Ｘ線を測定する際に、位置感応型Ｘ線検出器に垂直にＸ線を入射させることができるので、正確に回折パターンの読み取りが可能となるため、迅速にかつ高い精度での応力測定が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明に係るＸ線応力測定方法およびＸ線応力測定装置は、回折Ｘ線の測定の基準となる入射Ｘ線の位置を正確に把握できるため、迅速かつ高精度な応力測定が可能となるものであり、半導体デバイスを構成する配線材料の応力を測定する方法および装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態のＸ線応力測定方法の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の変形例において入射Ｘ線が傾いている場合を示す説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の変形例において入射Ｘ線が垂直に位置感応型Ｘ線検出器に入射している場合を示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の変形例において入射Ｘ線が斜めに位置感応型Ｘ線検出器に入射している場合を示す説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の変形例において入射Ｘ線が斜めに位置感応型Ｘ線検出器に入射している場合に位置感応型Ｘ線検出器の向きの調整についての説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態のＸ線応力測定装置の説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態のＸ線応力測定方法による調整方法を示す説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態のＸ線応力測定方法による調整方法を示す説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態のＸ線応力測定方法による調整方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  Ｘ発生装置
２  入射Ｘ線
３  スリット
４  測定試料
５  回折Ｘ線
６  Ｘ線照射点
７  位置感応型Ｘ線検出器
８  パーソナルコンピュータ
９  回折角
１０  位置感応型Ｘ線検出器上における入射Ｘ線と回折Ｘ線との距離
１１  位置感応型Ｘ線検出器上における入射Ｘ線と回折Ｘ線との距離（入射Ｘ線が傾いている場合）
１２  位置感応型Ｘ線検出器上における入射Ｘ線と回折Ｘ線との距離（位置感応型Ｘ線検出器の傾きを補正した場合）
１３  スリット
１４  調整器
【図１】
2005201804.tif 000003
【図２】
2005201804.tif 000004
【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】
2005201804.tif 000009
【図８】
2005201804.tif 000010
【図９】
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