(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の薄膜スタック特性を測定するための装置であって、
荷電粒子ビームが前記薄膜スタックのうちの所望の複数の層を貫くように前記試料に向けて荷電粒子ビームを方向付けることが可能であるビーム発生器であって、前記荷電粒子ビームは前記試料からＸ線を放射させる、ビーム発生器と、
前記試料の上方に配置され、各々が異なる固有のエネルギ放出レベルのＸ線を検出する少なくとも第１および第２の波長分散型Ｘ線検出器と、前記第１の波長分散型Ｘ線検出器は前記薄膜スタックの最上層に固有のエネルギ放出レベルを有するＸ線を検出し、前記第２の波長分散型Ｘ線検出器は前記最上層の下方に位置する下方層に固有のエネルギ放出レベルを有するＸ線を検出し、これにより前記所望の層の組成が同時に計測され得ることと、
前記検出されたＸ線から生データを収集する分析ユニットであって、前記薄膜スタックをモデル化した１以上の方程式から得られる予測データと前記生データとを比較する分析ユニットと
を備える装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、
前記第１の波長分散型Ｘ線検出器は、特定のエネルギレベルにあるＸ線を検出するように構成される、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、
前記第１の波長分散型Ｘ線検出器は、反射面とセンサとを含んでおり、前記反射面は、所定のエネルギレベルにあるＸ線を前記センサに向けて方向付けるように構成される、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、さらに、
前記ビーム発生器と前記第１の波長分散型Ｘ線検出器とに接続されたプロセッサを備える装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置であって、
前記プロセッサは、特定のエネルギレベルにあるＸ線を検出するように前記第１の波長分散型Ｘ線検出器を制御するように構成される、装置。
【請求項６】
請求項４に記載の装置であって、
前記プロセッサは、前記試料に向けて方向付けられた前記荷電粒子ビームが、前記試料のうちの少なくとも導体薄膜層と裏打ち薄膜層とを貫くように、前記ビーム発生器を制御するように構成される、装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置であって、各前記固有のエネルギ放出レベルは前記薄膜スタックの異なる層に対応している、装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であって、前記最上層および下方層の厚さを決定するために、前記荷電粒子ビームは前記薄膜スタックの最上層および下方層を完全に貫通する、装置。
【請求項９】
請求項１に記載の装置であって、前記荷電粒子ビームは、前記試料の少なくとも導体薄膜層および裏打ち薄膜層を貫通する、装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置であって、前記荷電粒子ビームは、実質的に一定電圧レベルに設定されている、装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置において、
前記分析ユニットは、前記予測データと前記生データとの差が予め定められた誤差範囲以下であるときに、前記薄膜スタック特性の許容し得る推定値の組合せである、１組の薄膜スタック推定特性値を保存する、装置。
【請求項１２】
試料上の薄膜スタックの少なくとも１つの特性を測定するための方法であって、
荷電粒子ビームが前記薄膜スタックのうちの少なくとも２枚の層を完全に貫くように、前記試料に向けて荷電粒子ビームを方向付け、前記荷電粒子ビームは前記試料からＸ線を放射させ、
少なくとも前記試料の上方に配置された第１の波長分散型Ｘ線検出器を使用して、前記薄膜スタックの最上層の放出レベルを示す第１の固有の放出レベルのＸ線を検出し、
少なくとも前記試料の上方に配置された第２の波長分散型Ｘ線検出器を使用して、前記薄膜スタックの前記最上層または下方に位置する下方層の放出レベルを示す、前記第１の固有の放出レベルとは異なる第２の固有の放出レベルのＸ線を検出し、
前記検出されたＸ線から生データを収集し、
前記薄膜スタックの構成をモデル化した１以上の方程式から得られる予測データと前記生データとを比較する、
測定方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の測定方法であって、さらに、
特定のエネルギレベルにあるＸ線を検出するように、前記第１の波長分散型Ｘ線検出器を構成する測定方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の測定方法であって、さらに、
前記第１の波長分散型Ｘ線検出器に含まれる反射面を、所定のエネルギレベルにあるＸ線が前記第１の波長分散型Ｘ線検出器に含まれるセンサに向けて方向付けられる方向に配置する測定方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の測定方法であって、さらに、
荷電粒子ビームエネルギと、前記荷電粒子ビームが生成される荷電粒子ビーム電流と、を選択する測定方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の測定方法であって、
前記荷電粒子ビームによって貫かれる前記少なくとも２層の内の２層は、導体薄膜層および裏打ち薄膜層である、測定方法。
【請求項１７】
請求項１２に記載の測定方法であって、前記生データおよび前記予測データは、特定のエネルギレベルを有するＸ線のカウント値を表しており、前記カウント値は、所定期間にわたって各前記波長分散型Ｘ線検出器によって受信されたＸ線の総数である、測定方法。
【請求項１８】
請求項１２に記載の測定方法であって、前記各固有の放出レベルは前記薄膜スタックの異なる層に対応している、測定方法。
【請求項１９】
請求項１２に記載の測定方法であって、前記最上層および下方層の厚さを決定するために、前記荷電粒子ビームは前記薄膜スタックの最上層および下方層を完全に貫通する、測定方法。
【請求項２０】
請求項１２に記載の測定方法はさらに、
前記薄膜スタック特性の許容し得る推定値の組合せである、１組の薄膜スタック推定特性値を選択し、
前記推定薄膜スタック特性値を用いて、前記薄膜スタックの構成をモデル化した前記１以上の方程式を解くことによって前記予測データを取得する、測定方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の測定方法はさらに、
前記予測データと前記生データとの差が予め定められた誤差範囲よりも大きいとき、
新しい薄膜スタック推定特性値を選択し、
選択された前記新しい薄膜スタック推定測定値を用いて、前記薄膜スタックの構成をモデル化した前記１以上の方程式を解くことによって新たな前記予測データを取得する、測定方法。
【請求項２２】
請求項１２に記載の測定方法はさらに、
前記予測データと前記生データとの差が予め定められた誤差範囲以下であるときに、前記薄膜スタック特性の許容し得る推定値の組合せである、１組の薄膜スタック推定特性値を保存する、測定方法。
【請求項２３】
薄膜スタック試料内における２以上の層の厚さを計測するための装置であって、
前記試料からＸ線を放射させる電子ビームを、前記薄膜スタックの２以上の層を完全に貫通するように前記試料に向けて方向付けることが可能であるビーム発生器と、
前記試料の上方に配置され、各々が、前記試料から放射される各Ｘ線を検出するように構成されている少なくとも第１および第２の波長分散型Ｘ線検出器と、これにより少なくとも２つの層の組成が同時に計測され得ることと、
前記検出されたＸ線から生データを収集する分析ユニットであって、前記薄膜スタックをモデル化した１以上の方程式から得られる予測データと前記生データとを比較する分析ユニットと
を備える装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の装置であって、
前記第１の波長分散型Ｘ線検出器は、特定のエネルギレベルにあるＸ線を検出するように構成される、装置。
【請求項２５】
請求項２３に記載の装置であって、
前記第１の波長分散型Ｘ線検出器は、反射面とセンサとを含んでおり、前記反射面は、所定のエネルギレベルにあるＸ線を前記センサに向けて方向付けるように構成される、装置。
【請求項２６】
請求項２３に記載の装置であって、
前記電子ビームは、走査パターンにおいて、前記薄膜スタック全体を走査し得る、装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載の装置はさらに、
前記ビーム発生器によって生成された前記電子ビームを調整する八極子と、前記電子ビームの配列をさらに調整する四極子とを備える、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、一般に、Ｘ線微量分析に関し、特に、Ｘ線分析を適用して半導体素子上の薄膜スタックを測定することに関する。
【発明の背景】
【０００２】  一般に、半導体製造業は、半導体材料の中に回路を集積させる非常に複雑な技術を含んでいる。回路集積の大規模化および半導体素子の小型化が原因で、半導体の製造工程は、プロセス欠陥を生じやすい傾向がある。したがって、品質管理を維持するためには、テスト手続きが重要である。このテスト手続きは、製造工程の重要な部分を占める不可欠な手続きであるので、半導体産業は、より正確で且つより効率的なテスト手続きを、常に求め続けている。
【０００３】  半導体製造の重要な特徴の１つは、複数の導体層および裏打ち層が形成される点にある。各導体層は、電子信号が半導体素子の中を伝わる経路である金属トレースを含んでいる。各導体層は、誘電材料層および裏打ち層によって、それぞれ隔てられる。誘電材料層は、通常は二酸化ケイ素であり、導体層間を電気的に絶縁する。各導体層の一部は、「プラグ」と称される電気経路によって、他の導体層の一部に接続されている。裏打ち層は、各導体層と各誘電材料層との間に形成されており、導体材料が誘電材料層の中に拡散するのを阻止する。裏打ち層は、下層である誘電体の中に導体層が拡散し、隣接する導体層との間で短絡を生じるのを阻止する。このような短絡の発生は、当然ながら、半導体の性能にとって好ましくないことが多い。特に、半導体素子で使用される一般的な導体材料である銅は、非常に勢いよく二酸化シリコンの中に拡散する。導体層および裏打ち層の厚さと組成とは、極めて狭い誤差範囲で形成されなくてはならない。したがって、これらの層の特性をテストできるシステムが、非常に重要である。
【０００４】  薄膜スタック特性を測定する現行の方法としては、４点プローブ試験システム、過電流試験、蛍光Ｘ線試験、光誘導表面弾性波試験、ならびに１つのエネルギ分散型検出器（ＥＤＳ）および／または１つの波長分散型検出器（ＷＤＳ）を使用したＸ線顕微鏡検査技術が含まれる。
【０００５】  これらの方法は、あいにく、有用性を制約するデメリットをそれぞれが有する。例えば、４点プローブ試験システムは、試料の破壊を要する。過電流試験は、薄膜スタックの厚さを分析することが困難であり、また、半導体素子上の対象領域よりも大きいスポットサイズを有する。また、蛍光Ｘ線試験も、大きいスポットサイズによって制約される。蛍光Ｘ線は、薄膜スタックの様々な厚さを識別することが困難であるので、測定結果は一般に不正確であり、時間も長くかかる。生産量の最大化という目標を達成するためには、増大する製造速度に試験速度の足並みを揃えさせる必要がある。光によって誘導される表面弾性波方法は、銅層すなわち半導体で一般に使用される導体である銅の厚さを分析することが困難であるという、具体的な問題を抱えている。これらの具体的な問題に加えて、上述した方法は、一般に、複数の層を有した薄膜スタックの特性を正確に測定することができない。
【０００６】  ＥＤＳシステムは、Ｗｏｏｄらによる米国特許第４，６７５，８８９号に記載されており、本文献は、引用によって本明細書に組み込まれるものとする。ＥＤＳシステムは、一般に、広いエネルギ範囲に渡ってＸ線光子を収集し、カウントすることができる。特定のエネルギレベルにある光子数のピークは、材料ごとに異なるものと予想される。ＥＤＳシステムは、１枚の薄膜を測定するには十分であるが、複数枚の薄膜（例えば導体層およびその下層である裏打ち層）を測定する場合は上手く機能しない。ＥＤＳシステムは、関連の信号対雑音比が比較的小さいので、正確に測定されないまたは全く検出されないピークが、一部または全部存在する。例えば、ある特定の材料のときのＸ線光子の数が、互いに少量だけ隔てられた２つのエネルギレベルにおいてピークを有すると予想される場合は、これら２つのピークは、これらの両ピークのエネルギレベルを含んだ１つのエネルギ範囲内に集められることが多い。また、ピークの１つが他のピークよりも大幅に小さい場合は、大きいピークのみが検出される。ＷＤＳ検出器を利用したシステムは、特定のエネルギレベルを有したＸ線光子を検出する。ＷＤＳシステムの欠点は、検出したいＸ線光子のエネルギレベルが異なるごとに、１つのＷＤＳ検出器を再構成しなければならない点にある。この場合は、サンプルの種類ごとに、そしてもし所望されるならば、各サンプルに固有な様々な放射レベルごとに、ＷＤＳを再構成しなければならないので、集積回路の薄膜スタックの試験工程が、低速化される。
【０００７】  現時点では、高精度且つ高スループット且つ小スポットサイズの非破壊的な方法によってパターン半導体ウエハをテストできる満足な方法は、まだ存在しない。半導体製造業において高生産量の目標を達成するためには、薄膜スタックをテストできる上記特徴を有したシステムが、望ましいと考えられる。
【発明の概要】
【０００８】  したがって、本発明は、薄膜スタック内の１枚またはそれ以上の層の組成および／または厚さを高い精度で効率的に測定することができる、非破壊的な半導体試験システムを提供する。本発明は、概して、試験用のサンプルからＸ線放射を誘導するメカニズムを含んでいる。試験用のサンプルは、導体層、絶縁層、および裏打ち層など、複数の層を有して良い。具体的な一実施形態では、半導体素子上の１枚またはそれ以上の薄膜からＸ線を放射させるために、荷電粒子線が使用される。荷電粒子線は、薄膜スタックのうちの少なくとも２枚の薄膜層（例えば１枚の導体層と１枚の裏打ち層）を貫くので、貫かれたこれらの層の中では、Ｘ線が生成される。Ｘ線の少なくとも一部は、１つまたはそれ以上の特定のエネルギレベルを有したＸ線光子をそれぞれ検出する１つまたはそれ以上のＸ線検出器を使用して検出される。Ｘ線は、次いで分析されて良く、貫かれた層の組成および厚さなどの特性が決定される。
【０００９】  １実施形態では、集積回路上の薄膜スタック特性を測定するための装置が開示される。この装置は、電子ビームを集積回路に向けて方向付けることによって、電子ビームが集積回路の少なくとも導体薄膜層と裏打ち薄膜層とを貫くように構成される、電子ビーム発生器を含む。電子ビームは、こうして、集積回路からＸ線を放射させる。この装置は、さらに、集積回路上に配置され、集積回路から放射されるＸ線の少なくとも一部を検出する、複数のＸ線検出器を含む。複数のＸ線検出器は、それぞれ波長分散型システム（ＷＤＳ）検出器であることが好ましい。この実施形態の精度は、比較的高い（すなわち０．５％である）ようである。
【００１０】  本発明のもう１つの態様は、半導体素子上の薄膜スタック特性を測定するための方法に関する。電子ビームは、少なくとも導体薄膜層と裏打ち層とを貫くように、半導体素子に向かって方向付けられる。素子から放射されるＸ線の少なくとも一部は、特定のエネルギレベルを有したＸ線光子を検出する複数のＸ線検出器によって検出される。好ましい１実施形態では、複数のＸ線検出器は、それぞれＷＤＳ検出器である。各ＷＤＳの反射面は、所定のエネルギレベルにあるＸ線の焦点が各ＷＤＳ内のセンサに合わせられるように配置される。つまり、各ＷＤＳは、特定のエネルギレベルにあるＸ線を検出するように構成される。さらに別の態様では、検出されたＸ線から得られたデータが集められ、分析される。本発明は、また、上述した方法を実施するためのコンピュータコードを含んだコンピュータ読み取り可能媒体を提供する。
【００１１】  代替の方法の実施形態およびコンピュータ読み取り可能媒体の実施形態では、薄膜スタックの少なくとも１つの属性が、その薄膜スタックに関連した生データ（例えば、計測されたＸ線カウント数）を使用して決定される。１組の薄膜スタック特性値（例えば導体層ならびに裏打ち層の厚さおよび／または組成）が選択され、選択されたこの１組の薄膜スタック特性値は、薄膜スタックをモデル化した方程式を解いて予測データ（例えば１つまたはそれ以上の特定のエネルギレベルにおけるＸ線の予測カウント数）を生成するために使用される。予測データと生データとの差が、一定の許容誤差より大きい場合は、新しい１組の薄膜スタック特性値が選択される。予測データと生データとの差が、許容誤差より小さい場合は、選択されたその組の特性値は、実際の特性値を十分正確に測定したものと考えられる。具体的な１実施形態では、生データおよび予測データは、特定のエネルギレベルにあるＸ線のカウント値を表しており、薄膜スタック特性値は、薄膜スタック内の薄膜層の厚さおよび組成の値を表している。
【００１２】  本発明の原理を例示した添付図面との関連で行う以下の詳細な説明から、本発明の上述したおよびその他の特徴および利点がさらに詳しく示される。
【００１３】  本発明および本発明のさらなる利点は、添付した図面との関連のもとで行われる以下の説明を参照することによって、最も良く理解される。
【００１４】［発明の詳細な説明］
以下では、添付の図面に示したいくつかの具体的な実施形態を参照にしつつ、本発明が詳細に説明される。以下の説明では、本発明の徹底的な理解を促すために、多くの項目を特定している。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明は、これらの項目の一部または全部を特定しなくても実施できる。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知の処理工程の説明は省略した。
【００１５】  Ｘ線顕微鏡検査は、概して、サンプルに関連した電磁スペクトルのＸ線領域を分析し、そのサンプルに関する情報を得ることを含む。電磁スペクトルのＸ線領域は、１．０×１０17Ｈａから１．０×１０21Ｈｚの範囲の周波数を含む。Ｘ線顕微鏡検査は、試料からＸ線光子を放射させるのに十分なエネルギを有した荷電粒子を試料にぶつけることによって実施される。半導体素子の導体層の組成および厚さは、１つまたはそれ以上のエネルギレベルにある放出光子をカウントすることによって決定して良い。材料の組成を決定できるのは、このような材料から放出されるＸ線光子の具体的なエネルギレベルが、材料の組成に関連しているためである。例えば、導体層の厚さは、固有なエネルギ放出レベルの前後にあるＸ線光子の数を積分することによって決定して良い。この積分値は、導体層の厚さに正比例する。金属層の実際の厚さは、次いで、測定される各材料に固有な校正係数をカウントデータに加えることによって決定して良い。薄膜スタック内の層の組成および厚さを決定するための手続きは、図７から図１０までを参照にしながら、以下でさらに説明される。
【００１６】  図１および図２Ａ，２Ｂは、Ｘ線光子が試料からどのように放射されるかを、本発明の１実施形態にしたがって示している。図１は、試料１２の表面に衝突する電子などの荷電粒子１０を示している。荷電粒子は、試料１２の原子と衝突することによって、試料１２からＸ線光子１４を放出させて良い。図２Ａ，２Ｂは、この衝突を原子レベルで示している。図２Ａは、試料１２の原子１６を示している。原子１６は、原子核１８を有し、異なる離散距離だけ離れた電子核にある複数の電子２０によって、その周りを取り囲まれている。とある電子核は、その電子核から電子を排除するために必要なエネルギと等しい結合エネルギレベルを有する。電子核の結合エネルギレベルは、その電子核までの原子核からの距離に反比例する。ある原子のうちで最も内側の電子核は、Ｋ核と称され、最も大きい結合エネルギを関連付けられている。図２Ａでは、Ｋ核２４の中にＫ核電子２２が配置されている。Ｋ核より外側の２つの核はＬ核およびＭ核であり、原子核１８から最も遠いのはＭ核である。
【００１７】  図２Ａは、また、試料１２の中の原子１６に衝突する荷電粒子１０も示している。粒子１０のエネルギレベルがＫ核２４の結合エネルギレベルより大きい場合は、粒子１０の全エネルギが原子１６によって吸収され、Ｋ核２４の電子の１つが原子１６から放出される。図２Ａに示したように、Ｋ核の電子２２は、原子１６による粒子１０の吸収後に原子１６から放出される。
【００１８】  Ｋ核２４に空位があると、原子１６は、エネルギ状態が高く不安定になる。最も確実な安定化メカニズムは、結合エネルギレベルがより低い電子核の中に配置された電子によって、Ｋ核２４の空位を満たすことである。図２Ｂに示したように、Ｋ核２４の中の空位は、原子核１８からの距離がＫ核２４よりも遠いＬ核２８の中のＬ核電子２６によって満たされて良い。Ｌ核の電子２６がＫ核２４の空位を満たすとき、原子１６からは、エネルギ（ＮK−ＮL）とともにＸ線光子１４が放出される。ここで、ＮKおよびＮLは、それぞれＫ核およびＬ核の結合エネルギである。Ｌ核２８の中に空位があるイオン化原子１６は、安定度が高くエネルギ状態も低い。
【００１９】  薄膜スタックからのＸ線の放出は、薄膜スタックの組成および厚さの値に依存するので、上述されたＸ線放出理論は、薄膜スタック内の薄膜の組成および厚さを決定するために利用して良い。つまり、各材料には、それぞれの原子核構成が関連付けられている。また、各核の結合エネルギレベルは、材料の種類によって異なる。例えば、第１の材料は、第２の材料と異なるエネルギレベルのＸ線を放出する。つまり、各材料には、Ｘ線の放出が予想されるＸ線エネルギピークがそれぞれ関連付けられている。したがって、未知の材料の組成は、その未知の材料のＸ線エネルギピークを既知の材料のエネルギピークと比較することによって決定して良い。一致した場合は、その未知の材料は、突き合わされた材料と同じ組成を有するものと判断される。
【００２０】  図３は、電子ビームによって誘導されるＸ線微量分析システムを利用したシステムを、本発明の１実施形態にしたがって示している。図３に示されたシステムは、荷電粒子線を試料３３０に向けて方向付けるビーム発生器４００を含んでいる。このシステムの代表的なスポットサイズは、直径が約１０ミクロンである。しかしながら、スポットサイズは、直径が１〜１００ミクロンの範囲に渡って良い。試料３３０は、層の厚さおよび組成の測定が望まれる複数層の半導体ウエハである。Ｘ線検出器５００は、試料３３０から放出されたＸ線光子を集める目的で、試料３３０の上方に配置されている。各Ｘ線検出器は、分析ユニット３２０に結合されている。分析ユニット３２０は、Ｘ線検出器５００によって集められたデータを分析し、個々の層に関する有用な情報を生成するように構成可能である。分析ユニット３２０は、ワークステーションなどの任意の適切な処理システムまたは計算機システムの形態をとって良い。
【００２１】  ビーム発生器４００は、試料に向けて荷電粒子を方向付ける任意の適切な機器であって良く、方向付けられた荷電粒子は、試験用のサンプルからＸ線を放射させる。発生器４００は、集積回路上の薄膜スタックのうちの少なくとも２枚の層を貫くのに十分なエネルギで、荷電粒子を発射させることができる。例えば、ビーム発生器４００によって貫かれる薄膜スタックの２枚の層は、１枚の導体層と１枚の裏打ち層とであって良い。粒子は、導体層および裏打ち層の実質全部を貫いて、これらの層の幅全体からＸ線を放射させることが好ましい。その結果として、貫かれた層の厚さ全体をもとにしたＸ線測定が実施される。例えば、ビーム発生器４００は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の形態をとって良い。図４は、代表的な走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を図示している。図示されたように、ＳＥＭシステム４００は、電子ビーム４０１を生成し、試料４２４上の対象領域に向けて電子ビーム４０１を実質的に方向付ける、電子ビーム発生器（４０２から４１６まで）を含んでいる。また、ＳＥＭシステム４００は、試料４２４から放出された荷電粒子４０５（二次電子および／または後方散乱電子）を検出するように構成された検出器４２６も含んでいる。
【００２２】  図に示したように、電子ビーム発生器は、電子源ユニット４０２と、アライメント八極子４０６と、静電プレデフレクタ４０８と、可変アパチャ４１０と、ウィーンフィルタ４１４と、対物磁気レンズ４１６と、を含んでいる。電子源ユニット４０２は、電子を生成して放出させるのに適した任意の形態で実現して良い。例えば、電子源ユニット４０２は、加熱されたフィラメントの形態をとることによって、フィラメント内の電子を励起させ、励起された電子をフィラメントから放出させて良い。八極子４０６は、特定のガンレンズ電圧が選択された後にビームを調整するように構成される。つまり、ビームは、アパチャ４１０に対する再調整のために、場合によっては移動させる必要がある。
【００２３】  アパチャ４１０は、ビームの方向付けを行うための穴を形成する。下方の四極子４０８は、アライメントによる機械的な不具合を補正するために含まれて良い。つまり、下方の四極子４０８は、ビームが通らなければならないＳＥＭの通り穴のうちの任意の未調整の通り穴に対してビームアライメントを調整するために使用される。対物磁気レンズ４１６は、ビームをサンプルに向けて加速するためのメカニズムを提供する。最後に、ウィーンフィルタ４１４は、二次電子を検出器４２６に向かって偏向させる。
【００２４】  試料すなわちサンプル３３０は、一定の測定が望まれる様々な形態をとって良い。具体的に言うと、電子ビームによって誘導されるＸ線微量分析システムは、半導体ウエハまたは磁気録音ヘッドなどの様々な薄膜素子の薄膜特性を測定するために使用して良い。図示された実施形態では、試料３３０は、半導体材料の基板上に交互に形成された導体層３４０と、誘電体層３６０と、裏打ち層３５０とを含んでいる。ウエハ３３０は、半導体素子内において素子（例えばトランジスタおよびコンデンサ）同士を結合させる複数の導体層３４０を含んでいる。各導体層３４０の一部は、一般に、「プラグ」３７０と称される接続経路を通じて、隣接する導体層３４０の一部に結合される。導体層の厚さは、一般に、約１０，０００オングストロームである。また、各導体層３４０は、誘電材料層３６０によって隔てられている。例として二酸化ケイ素が挙げられる誘電材料は、各導体層３４０を電気的に絶縁することによって、望ましくない短絡が生じるのを阻止する。製造工程が開始するとき、導体層の初期の厚さは、１，０００オングストロームである。製造工程の最中に、材料が追加されて導体層を形成するので、導体層の厚さは、約１０，０００オングストロームになる。試験システムの実現形態によっては、導体層の初期および最終の厚さが測定される場合もある。
【００２５】  銅などの導体は、隣接する誘電体層３６０の中へと容易に拡散し得るので、導体層３４０と誘電体層３６０との間には、薄い裏打ち層３５０が形成される。裏打ち層３５０は、各導体層３４０が誘電体層の中に拡散し、隣接する導体層との間で短絡を生じるのを阻止する。このような短絡は、半導体素子の適切な動作に悪影響を及ぼす恐れがある。隣接する導体層の中への導体層の拡散を阻止するためには、任意の適切な裏打ち層を利用して良い。例えば、タンタルまたは窒化タンタルの裏打ち層を使用して良い。裏打ち層は、３００オングストロームなどの任意の適切な厚さを有して良い。導体層および裏打ち層の形成は、半導体素子の動作に影響を及ぼすので、厳密にモニタされる。本発明による微量分析システムは、半導体ウエハの少なくとも１枚の導体層３４０と少なくとも１枚の裏打ち層３５０とを、有利に測定することができる。
【００２６】  特定のエネルギレベルにあるＸ線の測定は、任意の適切な検出器を利用して行って良い。図５は、本発明の１実施形態にしたがって、波長分散型システム（ＷＤＳ）Ｘ線検出器を示した断面図である。各Ｘ線検出器５００は、アパチャ５３５を有したハウジング５３０を含んでいる。ハウジングおよびアパチャは、好ましいが任意でもあるので、本発明による技術を実施するために必ずしも必要ではない。電子ビーム５４５は、薄膜素子５５５（すなわち半導体ウエハ）上の焦点５５０に向けて方向付けられる。電子ビーム５４５は、焦点５５０から光子５４０を放射させる。アパチャ５３５は、限られた量の光子５４０を各検出器５００に入射させる。検出器５００に入射する各光子は、経路に沿って凹状反射面５１０に向かって進行する。反射面５１０は、一部の光子をセンサ５２０に向かって方向付ける。反射面５１０の設計および配置は、特定のエネルギレベルを有した光子のみがセンサ５２０に向かって方向付けられるようになされる。薄膜特性の決定工程を促進するためには、ある材料に特有なエネルギレベルを有した光子のみを方向付けるように、反射面５１０が配置されても良い。特定のエネルギレベルを有した光子のみを検出することによって、検出器５００は、高い信号対雑音比を得ることができる。なお、反射面は、センサに向けて光子を方向付けることができるブラッグ反射器またはクリスタルであって良い。
【００２７】  図６には、ＷＤＳ  Ｘ線検出器５００’のもう１つの好ましい１実施形態の断面が示されている。検出器５００’は、焦点５５０から放射される光子５４０を獲得するコリメータ５６０を有しており、このコリメータ５６０は、自身の反射面を介することによって、光子５４０を実質的に平行な複数の経路に沿って進行させる。コリメータ５６０は、一般に、金属箔材料から形成される。光子５４０は、次いで、実質的に平坦な反射面５６５で反射されるので、今度は、センサ５２０に向かって複数の平行な経路に沿って進行する。検出器５００と同様に、検出器５００’の中の反射面５６５もやはり、ブラッグ反射器またはクリスタルであって良い。
【００２８】  検出器５００，５００’の一般要素を含んだデバイスとして代表的なのは、波長分散型システム（ＷＤＳ）である。複数のＷＤＳ検出器を利用することによって、測定される試料の薄膜スタック中に存在すると予想される材料ごとに、１つまたはそれ以上の光子ピークが検出されて良い。つまり、薄膜スタック内の１つまたはそれ以上の材料に固有な放出レベルが測定されて良い。また、１つまたはそれ以上の個々の検出器が、各材料に固有な様々な放出レベルを検出するための専用の検出器であっても良い。例えば、２つのＷＤＳ検出器が、銅材料に関連する２つのピークを検出するための専用の検出器であって良い。前述したように、各材料は、Ｋ核、Ｌ核、またはＭ核からの電子の欠落が原因で放出される光子に固有な複数の放出レベルを有する。複数のＷＤＳ検出器を使用することによって、試験システムは、複数の薄膜層のそれぞれに関する情報を得ることができる。
【００２９】  もう１つのタイプの検出器であるエネルギ分散型システム（ＥＤＳ）は、広いエネルギスペクトルに渡って光子を収集する。ＥＤＳは、より広範囲の信号を収集することができる。したがって、ＥＤＳ検出器は、固有な光子エネルギの前後のエネルギを有した光子も収集する。したがって、ＥＤＳ検出器の信号対雑音比は小さくなる。
【００３０】  図示された実施形態の試験システムは、精度が０．５％未満の測定値を得ることができる。また、電子ビームの電流が約１．０×１０-5アンペアまで増大したときには、薄膜スタックの厚さの測定は、２秒以内に行うことが可能である。したがって、この試験システムによって、スループット率の高い正確な試験が可能になる。
【００３１】  図７は、半導体ウエハ上の薄膜スタック特性を測定する方法に関し、特定の１実現形態を示したフローチャートである。先ず、動作６１０では、電子ビーム４００のパラメータが設定される。電子ビームの電流および電圧などのパラメータは、電子ビームが少なくとも１枚の導体層と１枚の裏打ち層とを貫くのに十分な着陸エネルギ（a landing energy）を有するように設定される。着陸エネルギは、ビームが試料に当たるときのエネルギとして定義される。ビームの電流および電圧だけでなく、電子ビームの走査パターンも、試料３３０上の電荷分布に影響を及ぼし、ひいては、試験手続きの最中にどのように情報が集められるかにも影響を及ぼす可能性がある。図８Ａ，８Ｂに示したような図は、電子ビーム４００のエネルギレベルを所望の層を貫けるレベルに決定するために使用して良い。これらの図は、当業者が容易に入手できる周知のものである。図８Ａは、電子ビームが貫く深さと電子ビームのエネルギレベルとの関係を示している。図８Ｂは、電子ビームのエネルギレベルが一定であるときの、電子ビームが貫く深さと元素の原子数との関係を示している。代表的な電子ビームのエネルギレベルは、１５から３０ＫｅＶの範囲である。
【００３２】  ビームのパラメータが、試料の種類に応じて設定された後は、動作６２０において、各ＷＤＳ  Ｘ線検出器５００が、その試料内の層から放射される光子を検出するように設定される。つまり、検出器５００は、特定のＸ線エネルギレベルを有した光子を検出するように設定される。理想としては、分析される薄膜スタック内の各材料に固有なＸ線エネルギ放出レベルに相当するエネルギレベルの光子を検出するように、１つのＷＤＳ５００が設定される。また、複数の検出器５００が、１材料の複数のＸ線エネルギを検出するように設定されることによって、その特定の材料に固有な複数の放出レベルが、それぞれ検出されても良い。１材料の各放出レベルは、各電子核（すなわちＫ核、Ｌ核、Ｍ核など）から電子が欠落した結果として放出される光子を表している。ＷＤＳは、反射面５１０を特定の角度に向け、所望のエネルギレベルの前後に集まったＸ線光子のみをセンサ５２０に向かって方向付けることによって、特定の放出レベルに対応するように設定される。こうして、センサ５２０は、分析を目的とした光子の収集を行うことが可能になる。検出器によって収集される情報は、各検出器５００に接続された処理システム３２０に伝送されて良い。処理システム３２０は、次いで、所望の分析を実施する。
【００３３】  電子ビーム４００およびＸ線検出器５００が適切に設定された後は、動作６３０において、電子ビームプローブ４００が起動され、半導体ウエハに電子ビームが衝突する。電子ビームは、少なくとも１枚の導体層と１枚の裏打ち層とを貫くことによって、貫かれたこれらの層からＸ線光子を放射させる。各層から放射されるＸ線光子は、各層に関する情報を得るために使用される。動作６４０では、これらのＸ線が、Ｘ線検出器５００によって検出される。固有な各放出エネルギレベルにあるＸ線の数が、それぞれカウントされる。カウントされたＸ線の数は、その特定の放出レベルのカウント値として表される。図９および図１０は、銅（Ｃｕ）のＫ核からの放出レベルおよびタンタル（Ｔａ）のＬ核からの放出レベルに対応するカウント値を、それぞれ示している。なお、Ｃｕ層はＴａ層の上に形成されている。各層のカウント値は、Ｃｕ層の厚さとの関係のもとで示されている。図９では、Ｃｕ層の厚さが増すにつれて、Ｃｕのカウント値も増大することがわかる。反対に、図１０では、Ｃｕ層の厚さが増すにつれて、Ｔａのカウント値は減少することがわかる。これは、生成されるＸ線光子の数が、Ｃｕ層の増大にともなって減少するからである。Ｃｕ層の厚さが増すにつれて、Ｔａ層から形成されるＸ線光子の数が減少するのは、Ｃｕ層の厚さが増すにつれて、電子ビームによって貫かれるＴａ層の深さが減少するからである。
【００３４】  収集されたＸ線からのデータは、動作６５０において、処理システム３２０によって保存される。次いで、動作６６０において、データが分析される。特定のエネルギレベルでのＸ線放射に基づいて、薄膜スタックの特性を決定するためには、任意の適切な分析技術を使用して良い。例えば、回帰ルーチンが使用されて良い。薄膜スタック特性を決定する手続き６００は、回帰ルーチンを通して導体層の特性が取得されたときに完了される。収集されたデータの分析には、代わりに別の方法を使用しても良い。例えば、一連の校正測定を行った後に、校正点間の測定地点を補間技術によって得ても良い。
【００３５】  図１１は、特定の薄膜スタック特性値を決定する手続き１０００を示したフローチャートである。一般に、手続き１０００は、所望の結果が得られるまで特定の計算動作が繰り返される回帰技術である。これらの動作は、薄膜スタック層からのＸ線放出をモデル化した方程式に、厚さおよび組成値などの薄膜スタック推定特性値を代入することによって、その薄膜スタックに関する予測データ（カウント値）を生成することを含む。つまり、Ｘ線の放出結果が計算されるのは、薄膜スタック推定特性値を代入される薄膜スタックのためである。各種の薄膜スタック推定値は、結果として得られる予測データ値が、Ｘ線顕微鏡検査システムから実際に得られたデータと厳密に一致するまで、モデリング方程式に繰り返し代入される。
【００３６】  特定の薄膜スタックモデルに関するＸ線放出の予測値を繰り返し生成し、測定された生データとこのような予測値とを一致させるためには、任意の適切な回帰技術が利用されて良い。例えば、周知であるモンテカルロ回帰技術が利用されて良い。モンテカルロ技術は、上述した方程式のように計算が複雑な方程式を解く際に有用である。使用可能な回帰技術のもう１つの例は、φ−ρ−Ｚモデルである。また、薄膜スタックをφ−ρ−Zモデルで自動的にモデル化するいくつかのソフトウェアアプリケーションが使用可能である。例えば、フランスのＳａｍｘ  Ｇｕｙａｎ  Ｃｏｕｒｔから入手可能なＳｔｒａｔａｇｅｍや、ＮＩＳＴ（National Institute of Standard and Technology）から入手可能なＣｉｔｚａｆなどの、ソフトウェアパッケージが使用されて良い。Ｘ線放出に関連したパラメータは、測定された生データとともに、ソフトウェアに入力される。ソフトウェアは、次いで、モデル方程式を使用して予測データを生成し、予測データが生データと一致するまでこれを繰り返す。この特定のソフトウェアアプリケーションでは、パラメータは、生データと、薄膜組成、薄膜厚さ、電子ビームの着陸エネルギ、ビーム電流、離陸角度、および検出器効率の開始推定値と、を含んでいる。予測データ値（例えば薄膜スタックモデルからの出力）が、生データ値と厳密に一致する場合は、その薄膜スタック推定特性値は、薄膜スタックの実際の特性値を良く推定していると考えられる。この方法が、実際の試料の特性値を正確に予測するための精度は、当然ながら、モデリング方程式の能力による制約を受ける。
【００３７】  図１１に示したように、例えば動作１０１０では、先ず、Ｘ線顕微鏡検査システムから生データが取得される。動作１０２０では、モデリング方程式に代入される第１組の薄膜スタック推定特性値が選択される。動作１０３０では、推定特性値にしたがって方程式が解かれ、１組の予測データ値が生成される。動作１０４０では、生データと予測データとが比較される。予測データと生データとの差が、一定の許容誤差より小さい場合は、薄膜スタック推定特性値は、薄膜スタックの実際の特性値に対して許容可能な推定値である。しかしながら、予測データと生データとの差が許容誤差より大きい場合は、新しく別の組の薄膜スタック推定特性値が選択される。回帰動作（すなわち１０２０，１０３０，１０４０）は、動作１０５０で表されるように、データ値の差が推定許容誤差より小さくなるまで繰り返される。薄膜スタック特性値に対して許容可能な推定値であるための許容誤差は、約０．５％に等しいまたは約０．５％未満であることが望ましい。
【００３８】  以上、いくつかの好ましい実施形態の観点から本発明を説明したが、本発明の範囲に含まれる範囲において、変更形態、置換形態、等価形態などが構成される。また、本発明の方法および装置を実現する代替の方法は、数多く存在することが可能である。したがって、添付した特許請求の範囲は、このような全ての変更形態、置換形態、および等価形態を、本発明の真の趣旨および範囲に含まれるものとして含むものと解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  試料に入射するＸ線光子と、その結果として試料材料によって放出されるＸ線光子と、を示した図である。
【図２Ａ】  図１のＸ線光子が試料の原子に衝突し、その結果として原子の最も内側にあるＫ電子核から電子が放出される様子を示した図である。
【図２Ｂ】  図２Ａに示した試料の原子のＬ電子核にある電子が、Ｋ電子核に形成された空位を満たし、それと同時に二次的なＸ線光子が放出される様子を示した図である。
【図３】  電子ビームによって誘導されるＸ線微量分析システムを、本発明の一実施形態にしたがって示した図である。
【図４】  代表的な走査型電子顕微鏡を、本発明の１実施形態にしたがって示した図である。
【図５】  図３の波長分散型システム（ＷＤＳ）Ｘ線検出器を、本発明の１実施形態にしたがって示した断面図である。
【図６】  ＷＤＳ  Ｘ線検出器のもう１つの好ましい１実施形態を示した断面図である。
【図７】  半導体ウエハ上の薄膜スタック特性を測定するための手続きを、本発明の１実施形態にしたがって示したフローチャートである。
【図８Ａ】  電子ビームが貫く深さを電子ビームのエネルギレベルとの関係において示したグラフである。
【図８Ｂ】  電子ビームのエネルギレベルが一定であるときに、電子ビームが貫く深さが元素の原子数によってどのように変動するかを示したグラフである。
【図９】  銅層のＫ核放出レベルから検出されるカウント数を、銅層の厚さの増加との関係において示したグラフである。
【図１０】  タンタル層のＫ核放出レベルから検出されるカウント数を、タンタル層の上に形成された銅層の厚さの増加との関係において示したグラフである。
【図１１】  薄膜スタック特性値を決定するための手続きを、本発明の１実施形態にしたがって示したフローチャートである。
【符号の説明】１０…荷電粒子
１２…試料
１４…Ｘ線光子
１６…原子
１８…原子核
２０…電子
２２…Ｋ核電子
２４…Ｋ核
２６…Ｌ核電子
２８…Ｌ核
３２０…分析ユニット
３３０…試料
３４０…導体層
３５０…裏打ち層
３６０…誘電体層
３７０…プラグ
４００…ビーム発生器
４０１…電子ビーム
４０２…電子源ユニット
４０６…アライメント八極子
４０８…静電プレデフレクタ
４１０…可変アパチャ
４１４…ウィーンフィルタ
４１６…対物磁気レンズ
４０５…荷電粒子
４２４…試料
４２６…検出器
５００…Ｘ線検出器
５００’…ＷＤＳ  Ｘ線検出器
５１０…凹状反射面
５２０…センサ
５３０…ハウジング
５３５…アパチャ
５４０…光子
５４５…電子ビーム
５５０…焦点
５５５…薄膜素子
５６０…コリメータ
５６５…平坦な反射面
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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