(57)【要約】  【課題】表面から散乱したＸ線の検出に基づいて、試料の表面上における周期構造の寸法を測定するための、改善された方法および装置を提供する。  【解決手段】試料をＸ線解析する方法は、試料の表面上の周期構造の領域に衝突するようにＸ線ビームを方向付け、方位角の関数として散乱Ｘ線の回折スペクトルを検出するように反射モードで表面から散乱したＸ線を受け取ることを含む。回折スペクトルは、構造の寸法を決定するために解析される。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料をＸ線解析するための方法であって、
Ｘ線ビームを前記試料表面上の周期構造の領域に衝突するように方向付け、
方位角の関数として散乱Ｘ線の回折スペクトルを検出するために、反射モードで前記表面から散乱した前記Ｘ線を受け取り、
前記構造の寸法を決定するために前記回折スペクトルを解析することを含む方法。
【請求項２】
前記ビームを方向付けることが、前記表面に衝突する前記Ｘ線ビームをコリメートすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ビームを方向付けることが、ある仰角で前記表面に衝突するように前記ビームを方向付けることを含み、前記Ｘ線を受け取ることが、前記表面の前記領域からのすべての外部反射に関連した前記散乱Ｘ線のばらつきを検出することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記周期構造が、第２の臨界角を有する基板上に形成された第１の臨界角を有する層を含み、前記ビームを方向付けることが、前記第１および第２の臨界角の間の角度で前記ビームを方向付けることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記層が有機材料を含み、前記基板が、金属、半導体および誘電材料の少なくとも１つを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記構造が平行な線状要素のパターンを含み、前記スペクトルを解析することが、前記平行な線の間の間隔を決定するために、前記スペクトルのサイドローブ間の分離を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記構造が薄膜で覆われた側壁を含み、前記スペクトルを解析することが、前記側壁上の前記薄膜の厚さを測定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記試料が半導体ウエハを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記周期構造が前記表面上に蒸着されたフォトレジストを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
試料をＸ線解析するための方法であって、
試料の平面に垂直な、薄膜がその上にある側壁を有する構造を含む、平面の試料の領域に衝突するようにＸ線ビームを方向付け、
前記構造によって前記試料から散乱した前記Ｘ線のスペクトルを検出し、
前記側壁上の前記薄膜の特性を測定するために前記スペクトルを解析することを含む方法。
【請求項１１】
前記ビームを方向付けることが、前記表面に衝突する前記Ｘ線ビームをコリメートすることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ビームを方向付けることが、ある仰角で前記表面に衝突するように前記ビームを方向付けることを含み、前記Ｘ線を受け取ることが、前記表面の前記領域からのすべての外部反射に関連した前記散乱Ｘ線のばらつきを検出することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記構造が周期パターンを含み、前記スペクトルを解析することが、前記周期パターンによる回折スペクトルを解析することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記回折スペクトルが複数のサイドローブを含み、前記回折スペクトルを解析することが、角度の関数としての前記サイドローブの変調を観察することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記変調を観察することが、前記サイドローブの角度間隔に対応して前記薄膜の厚さを決定することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記試料が半導体ウエハを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記薄膜がバリア層を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
表面に周期構造を有する試料をＸ線解析するための装置であって、
前記周期構造を含む前記表面の領域に衝突するようにＸ線ビームを方向付けるように構成されたＸ線源と、
方位角の関数として散乱Ｘ線の回折スペクトルを検出するために、反射モードで前記表面から散乱した前記Ｘ線を受け取るように構成された検出器と、
前記構造の寸法を決定するために、前記回折スペクトルを解析するように構成された信号プロセッサとを含む装置。
【請求項１９】
前記試料に衝突する前記Ｘ線ビームをコリメートするように構成された平行光学系を含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記Ｘ線源が、ある仰角で前記表面に衝突するように前記ビームを方向付けるように構成され、前記検出器が、前記表面の前記領域からのすべての外部反射に関連した前記散乱Ｘ線のばらつきを検出するように配置された、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記周期構造が、第２の臨界角を有する基板上に形成された第１の臨界角を有する層を含み、前記Ｘ線源が、前記第１および第２の臨界角の間の角度で前記ビームを方向付けるように構成された、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記層が有機材料を含み、前記基板が、金属、半導体および誘電材料の少なくとも１つを含む、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記構造が平行な線状要素のパターンを含み、前記信号プロセッサが、前記平行な線の間隔を決定するために、前記スペクトルのサイドローブ間の分離を測定するように構成された、請求項１８に記載の装置。
【請求項２４】
前記構造が薄膜で覆われた側壁を含み、前記信号プロセッサが、前記スペクトルに基づいて前記側壁上の前記薄膜の厚さを測定するように構成された、請求項１８に記載の装置。
【請求項２５】
前記試料が半導体ウエハを含む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２６】
前記周期構造が前記表面上に蒸着されたフォトレジストを含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
試料平面に垂直な、薄膜がその上にある側壁を有する構造を包含する、平面の試料をＸ線解析するための装置であって、
前記構造を含む前記試料の領域に衝突するようにＸ線ビームを方向付けるように構成されたＸ線源と、
前記構造によって前記試料から散乱した前記Ｘ線のスペクトルを検出するように構成された検出器と、
前記側壁上の前記薄膜の特性を測定するために、前記スペクトルを解析するように構成された信号プロセッサとを含む装置。
【請求項２８】
前記表面に衝突する前記Ｘ線ビームをコリメートするように構成された平行光学系を含む、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記Ｘ線源が、ある仰角で前記表面に衝突するように前記ビームを方向付けるように構成され、前記検出器が、前記表面の前記領域からのすべての外部反射に関連した前記散乱Ｘ線のばらつきを検出するように配置された、請求項２７に記載の装置。
【請求項３０】
前記構造が周期パターンを含み、前記信号プロセッサによって解析される前記Ｘ線の前記スペクトルが、前記周期パターンによる回折スペクトルを含む、請求項２７に記載の装置。
【請求項３１】
前記回折スペクトルが複数のサイドローブを含み、前記信号プロセッサが、角度の関数としての前記サイドローブの変調を観察することによって前記特性を測定するように構成された、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記信号プロセッサが、前記サイドローブの角度間隔に対応して前記薄膜の厚さを決定するように構成された、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記試料が半導体ウエハを含む、請求項２７に記載の装置。
【請求項３４】
前記薄膜がバリア層を含む、請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
マイクロ電子デバイスを作成するためのクラスタツールであって、
半導体ウエハの表面上に周期構造を形成するように構成された形成加工ステーションと、
検査ステーションであって、
前記周期構造を含む前記表面の領域に衝突するようにＸ線ビームを方向付けるように構成されたＸ線源と、
方位角の関数として散乱Ｘ線の回折スペクトルを検出するために、反射モードで前記表面から散乱した前記Ｘ線を受け取るように構成された検出器と、
前記構造の寸法を決定するために、前記回折スペクトルを解析するように構成された信号プロセッサを含む検査ステーション、とを含むクラスタツール。
【請求項３６】
前記周期構造が薄膜で覆われた側壁を含み、前記信号プロセッサが、前記スペクトルに基づいて前記側壁上の前記薄膜の厚さを測定するように構成された、請求項３５に記載のクラスタツール。
【請求項３７】
マイクロ電子デバイスを作成するための装置であって、
半導体ウエハを受け取れるように構成された作成チャンバと、
前記チャンバ内で前記半導体ウエハの表面に周期構造を形成するように構成された形成加工デバイスと、
前記周期構造を含む前記表面の領域に衝突するように、前記作成チャンバ内の前記半導体ウエハに向けてＸ線ビームを方向付けるように構成されたＸ線源と、
方位角の関数として散乱Ｘ線の回折スペクトルを検出するために、反射モードで前記表面から散乱した前記Ｘ線を受け取るように構成された検出器と、
前記構造の寸法を決定するために、前記回折スペクトルを解析するように構成された信号プロセッサとを含む装置。
【請求項３８】
前記周期構造が薄膜で覆われた側壁を含み、前記信号プロセッサが、前記スペクトルに基づいて前記側壁上の前記薄膜の厚さを測定するように構成された、請求項３７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、半導体製造およびプロセス制御に関し、特に半導体デバイス構造の限界寸法（critical dimensions）の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電子デバイスを半導体ウエハ上に作成する場合、デバイスの限界寸法を指定の許容誤差内に維持することが重要である。限界寸法は、この文脈では、ウエハ上に蒸着される導電体などの構造の幅、および隣接する構造間の間隔を指す。指定の寸法からの偏差は、性能および収率の低下につながる。したがって、偏差が生じるとすぐにそれを検出し、修正措置をとり、また製造過程にある高価なウエハの損失を回避するために、製造プロセスは注意深くモニタし、制御しなければならない。例えば、ウエハ上に蒸着され、エッチングされたフォトレジストの限界寸法が、規格の範囲外にあることがわかると、それを除去し、再塗布することができる。
【０００３】
限界寸法を測定する多様なシステムおよび方法が、当該技術分野で既知である。現在、ほとんどのマイクロ電子機器の製造設備は、光計測を用いて限界寸法をモニタしている。しかしながら、半導体デバイスの設計基準が０．２５μｍ以下とさらに高密度になるにしたがって、従来の光計測システムで正確な結果を提供することが不可能になる。電子ビーム（ｅ−ビーム）計測が代替手段として提案されてきたが、ｅ−ビームシステムもやはり性能が限定される。
【０００４】
限界寸法のＸ線測定が、米国特許第６，５５６，６５２号に記載されており、その開示を参考として本明細書に組み込む。この特許に記載された方法によれば、基板の表面にＸ線ビームが照射される。次いで、表面上に形成された構造によって表面から散乱したＸ線のパターンを検出し、解析して、表面に平行な方向で構造の寸法が測定される。
【０００５】
Ｘ線を用いたＣＤ(限界寸法)測定におけるさらなる研究は、ジョーンズらの「１００ｎｍ未満のパターン特性決定のための小角Ｘ線散乱」（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、８３：１９、２００３年、４０５９〜４０６１ページ）に記載されており、これを参考として本明細書に組み込む。著者らは、シンクロトロンＸ線源による透過モードでの小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）を使用して、基板上に形成された一連の高分子フォトレジスト回折格子の特性決定を行っている。Ｘ線ビームは回折格子および基板を通過し、ＳＡＸＳパターンは、二次元ＣＣＤ検出器を用いて測定される。フォトレジスト回折格子は、検出器上のＳＡＸＳパターンに一次元の一連の回折スポットを生成する。散乱ベクトルｑの関数としてのＳＡＸＳ強度を解析して、回折格子間隔および側壁角度が決定される。（Ｘ線散乱の技術の慣例によれば、ｑ＝４πｓｉｎθ／λであり、この場合、２θは入射ビームに対する散乱角、λはＸ線の波長である。）
【特許文献１】米国特許第６，５５６，６５２号
【特許文献２】米国特許第６，３８１，３０３号
【特許文献３】米国特許第５，６１９，５４８号
【特許文献４】米国特許第６，５１２，８１４号
【特許文献５】米国特許第６，６３９，９６８号
【特許文献６】米国特許公開公報ＵＳ２００１／００４３６６８  Ａ１
【非特許文献１】ジョーンズら著「１００ｎｍ未満のパターン特性決定のための小角Ｘ線散乱」（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、８３：１９、２００３年、４０５９〜４０６１ページ）
【非特許文献２】フーら著「ナノメートルスケールのライングレーティングの側壁角度および断面のための小角Ｘ線散乱計測」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、９６：４、２００４年、１９８３〜１９８７ページ）
【非特許文献３】ウーら著「ナノスケールのリソグラフィ形状の小角中性子散乱測定」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、８８：１２、２０００年、７２９８〜７３０３ページ）
【非特許文献４】ウィーナーら著  論文「斜出射蛍光Ｘ線分光分析による窒化チタン層の特性決定」（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  １２５、１９９８年、１２９ページ）
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、表面から散乱したＸ線の検出に基づいて、試料の表面上における周期構造の寸法を測定するための、改善された方法および装置を提供する。標準的には、散乱の測定は反射モードで行われる。Ｘ線ビームは、周期構造の領域に衝突するように方向付けられ、表面から散乱したＸ線は、方位角の関数として検出される。散乱Ｘ線は、標準的には回折パターンを示し、これが、周期構造の寸法に関する情報を抽出するために解析される。
【０００７】
本発明の実施形態のいくつかでは、試料は半導体ウエハを含み、また、周期構造は、当該技術分野で既知のように、リソグラフィプロセスによってウエハ上に形成された１組の線を含む。回折パターンは、ウエハ上の線の限界寸法および形状を決定するために解析される。これらの実施形態にしたがって、反射モード測定により、ジョーンズらによる前述の論文に記載された従来の透過モード測定よりも、高い信号強度およびより小型の測定形状が得られる。
【０００８】
本発明のいくつかの実施形態では、Ｘ線回折測定は、周期構造の側壁上における薄膜コーティングの特性を測定するために使用される。（この文脈における「側壁」は、試料表面の平面に垂直であるか、または少なくとも平行ではない構造の部分を指す。）半導体デバイス製造では、例えば、薄膜コーティングは一般に、溝または穴の周期構造の上に蒸着されるが、側壁上のコーティングの厚さは、精密に制御するのが困難であり、また測定が困難である。これらの実施形態では、特に側壁厚さおよび／または他の側壁特性を測定するために、方位角方向のＸ線散乱パターンが解析される。以下にさらに記載されるように、反射モードで散乱パターンを測定することが、一般にはより便利であるが、これらの実施形態の原理は、代替方法として透過モードで実施されてもよい。
【０００９】
故に、本発明の一実施形態にしたがって、
Ｘ線ビームを試料表面上の周期構造の領域に衝突するように方向付け、
方位角の関数として散乱Ｘ線の回折スペクトルを検出するために、反射モードで表面から散乱したＸ線を受け取り、
構造の寸法を決定するために回折スペクトルを解析することを包含する、試料をＸ線解析するための方法が提供される。
【００１０】
標準的には、ビームを方向付けることは、表面に衝突するＸ線ビームを平行にすることを包含する。
【００１１】
開示される実施形態では、ビームを方向付けることが、ある仰角（a grazing angle）で表面に衝突するようにビームを方向付けることを包含し、Ｘ線を受け取ることが、表面の領域からのすべての外部反射に関連した散乱Ｘ線のばらつきを検出することを包含する。これらの実施形態のいくつかでは、周期構造は、第２の臨界角を有する基板上に形成された第１の臨界角を有する層を包含し、ビームを方向付けることは、第１および第２の臨界角の間の角度でビームを方向付けることを包含する。一実施形態では、層が有機材料を包含し、基板が、金属、半導体および誘電材料の少なくとも１つを包含する。
【００１２】
いくつかの実施形態では、構造が平行な線状要素のパターンを包含し、スペクトルを解析することが、平行な線の間の間隔を決定するために、スペクトルのサイドローブ間の分離を測定することを包含する。
【００１３】
さらなる実施形態では、構造が、薄膜で覆われた側壁を包含し、スペクトルを解析することが、側壁上の薄膜の厚さを測定することを包含する。
【００１４】
開示される一実施形態では、試料が半導体ウエハを包含し、周期構造が、表面上に蒸着されたフォトレジストを包含する。
【００１５】
本発明の一実施形態にしたがって、さらに、
試料の平面に垂直な、薄膜がその上にある側壁を有する構造を包含する、平面の試料の領域に衝突するようにＸ線ビームを方向付け、
構造によって試料から散乱したＸ線のスペクトルを検出し、
側壁上の薄膜の特性を測定するためにスペクトルを解析することを包含する、試料をＸ線解析するための方法が提供される。
【００１６】
いくつかの実施形態では、構造が周期パターンを包含し、スペクトルを解析することが、周期パターンによる回折スペクトルを解析することを包含する。標準的には、回折スペクトルが、複数のサイドローブを包含し、回折スペクトルを解析することが、角度の関数としてのサイドローブの変調を観察することを包含する。一実施形態では、変調を観察することが、サイドローブの角度間隔に対応して薄膜の厚さを決定することを包含する。
【００１７】
開示される一実施形態では、試料が半導体ウエハを包含し、薄膜がバリア層を包含する。
【００１８】
本発明の一実施形態にしたがって、さらに、表面上に周期構造を有する試料をＸ線解析するための装置が提供され、装置は、
周期構造を含む表面の領域に衝突するようにＸ線ビームを方向付けるように構成されたＸ線源と、
方位角の関数として散乱Ｘ線の回折スペクトルを検出するために、反射モードで表面から散乱したＸ線を受け取るように構成された検出器と、
構造の寸法を決定するために、回折スペクトルを解析するように構成された信号プロセッサとを包含する。
【００１９】
本発明の一実施形態にしたがって、さらに、試料平面に垂直な、薄膜がその上にある側壁を有する構造を包含する、平面の試料をＸ線解析するための装置がさらに提供され、装置は、
構造を含む試料の領域に衝突するようにＸ線ビームを方向付けるように構成されたＸ線源と、
構造によって試料から散乱したＸ線のスペクトルを検出するように構成された検出器と、
側壁上の薄膜の特性を測定するために、スペクトルを解析するように構成された信号プロセッサと包含する。
本発明の一実施形態にしたがって、さらに：
半導体ウエハの表面上に周期構造を形成するように構成された形成加工ステーションと、
検査ステーションであって、
周期構造を含む表面の領域に衝突するようにＸ線ビームを方向付けるように構成されたＸ線源と、
方位角の関数として散乱Ｘ線の回折スペクトルを検出するために、反射モードで表面から散乱したＸ線を受け取るように構成された検出器と、
構造の寸法を決定するために、回折スペクトルを解析するように構成された信号プロセッサを包含する検査ステーション、とを包含するマイクロ電子デバイスを作成するためのクラスタツールが提供される。
本発明の一実施形態にしたがって、さらに、
半導体ウエハを受け取るように構成された作成チャンバと、
チャンバ内で半導体ウエハの表面に周期構造を形成するように構成された形成加工デバイスと、
周期構造を含む表面の領域に衝突するように、作成チャンバ内の半導体ウエハに向けてＸ線ビームを方向付けるように構成されたＸ線源と、
方位角の関数として散乱Ｘ線の回折スペクトルを検出するために、反射モードで表面から散乱したＸ線を受け取るように構成された検出器と、
構造の寸法を決定するために、回折スペクトルを解析するように構成された信号プロセッサとを包含する、マイクロ電子デバイスを作成するための装置が提供される。
本発明は、本発明の実施形態の以下の詳細な説明を図面と併せ読むことで、より完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態にしたがった、半導体ウエハ２２上の限界寸法を測定するためのシステム２０の概略図である。Ｘ線源２６は、平行光学系３０によって平行にされ、ウエハ２２上の対象領域２８上に方向付けられ、Ｘ線ビームを発光する。ウエハは、標準的には、ウエハ表面上の異なるポイントに対して対象領域２８を走査できるようにウエハを移動させる、可動ステージ２４上に載置される。以下に記載される実施形態は特にウエハ２２に関連しているが、本発明の原理は、他のパターニングされた試料に同様に適用されてもよい。
【００２１】
Ｘ線源２６は、標準的には、単色化光学系（図示せず）を備えたＸ線管を備える。例えば、Ｘ線管は、オクスフォード・インストゥルメンツ社（カリフォルニア州スコッツバレー）製のＸＴＦ  ５０１１チューブであってもよい。システム２０で使用されてもよい多数の異なるタイプの単色化光学系が、米国特許第６，３８１，３０３号に記載されており、その開示を参考として本明細書に組み込む。例えば、光学系は、ＸＯＳ社（ニューヨーク州アルバニー）製の二重湾曲集光結晶光学部品などの、湾曲結晶モノクロメータを含んでもよい。他の好適な光学系は、米国特許第５，６１９，５４８号に記載されており、その開示を参考として本明細書に組み込む。
【００２２】
平行光学系３０は、一般に、当該技術分野で既知のあらゆる好適なＸ線コリメート手段を含んでもよい。本実施例では、光学系３０は、調節可能なナイフエッジ３２およびシャッター３４を含み、これらは、Ｘ線ビームの垂直（Ｚ方向）角度および範囲を制御する。幅も可変であってよいスリット３６は、ビームの水平（Ｘ方向）角度および範囲を制御する。便宜上、図１に示されるように、Ｙ方向は、Ｘ−Ｙ面上（すなわち、ウエハ２２の表面上）に対する入射ビームの軸の投影として解釈される。別の方法としてまたはそれに加えて、平行光学系３０は、例えば、１以上のピンホールまたは好適な反射素子を含んでもよい。
【００２３】
ウエハ２２から散乱した放射は、Ｘ線検出器３８によって集光される。システム２０は反射モードで作動し、すなわち検出器３８は、試料平面のＸ線源２６と同じ側に配置される。（対照的に、ジョーンズらによる前述の論文に記載された透過モードでは、Ｘ線源と検出器が試料の対向する面にあるので、散乱Ｘ線は試料の全幅を通過した後に検出される。）標準的には、検出器３８は、ＣＣＤアレイなどのＸ線検出素子のアレイ４０を含む。あるいは、当該技術分野で既知のように、他のタイプのＸ線検出器がこの文脈で使用されてもよい。アレイ検出器は、方位角のある範囲全体にわたって、散乱放射線を同時に受け取り測定できる点で有利である。（本特許出願の文脈および請求項において、用語「方位角」および「方位角の」は、Ｚ軸周りの角度、すなわちウエハ２２のＸ−Ｙ面に平行な平面における角度を指す。）以下にさらに記載されるように、散乱放射線は、領域２８における周期パターンの限界寸法の特性である、方位角方向の回折スペクトル４４を示す。
【００２４】
検出器３８は、検出器に入射するＸ線光子のフラックスに応答して信号を出力する。信号は、信号プロセッサ４２によって、好ましくは好適な信号処理ハードウェアおよびソフトウェアを備えた汎用コンピュータによって受け取られ、解析される。プロセッサは、散乱放射線の回折スペクトルを解析し、ウエハ２２上のパターンの選択された限界寸法の測定値を出力する。
【００２５】
次に、ウエハ２２の詳細、および特にその上に形成される周期パターン５２を概略的に示す、図２および３を参照する。図２は、挿入図に拡大して示されるパターン５２を備えるウエハの平面図であり、図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿ったテストパターンの拡大断面図である。本実施例におけるパターン５２は、Ｙ方向に沿って整列すると仮定した、隆起部５４などの平行な線状要素の回折格子を含む。パターン５２は、ＣＤ測定に使用するための、ウエハ２２上の隣接したダイ間のスクライブライン５０上に形成される、特別なテストパターンであってもよい。この場合、隆起部５４は、標準的には、パターン５２をテストすることが意図されるウエハ上の機能回路構造と同様の、材料蒸着、フォトリソグラフィおよびエッチングのプロセスによって形成される。あるいは、パターン５２は、ウエハ上のダイ内に実際の機能パターンを含んでもよい。
【００２６】
図２および３の実施例では、隆起部５４はフォトレジストを含む。フォトレジストは、隆起部間にギャップ５８を形成するために、マスキングされ、エッチングされる。ギャップ５８内では、下にある基板層５６が露出する。層５６は、標準的には酸化物層または金属層を含み、または、シリコンウエハ基板を自体を含んでもよい。最新のデバイスでは、隆起部５４の高さｈは、標準的にはギャップ５８の幅の５〜６倍である。この高いアスペクト比、およびギャップ５８を作成するのに使用される化学エッチングプロセスの性質のため、ギャップの幅は一般に均一ではない。より正確には、幅は、隆起部５４の上面でより大きな寸法Ｗ１と、ギャップ底部でより小さな寸法Ｗ２とを有する傾向がある。以下に記載される測定方法は、隆起部５４の側壁の傾斜を測定することができ、ひいてはＷ１およびＷ２の両方を得ることができる。
【００２７】
平行光学系３０によって出力されるＸ線ビームは、ある仰角で、すなわち表面の平面にほぼ平行に、領域２８に衝突する。検出器３８で回折パターン４４を観察するために、Ｘ線ビームは、すべての外部反射に対する基板層５６の臨界角よりも小さいが、隆起部５４を構成するフォトレジストのより小さな臨界角よりも大きい角度で、パターン５２に入射することが望ましい。基板層５６がシリコンを含み、隆起部５４が有機物のフォトレジストを含むと仮定すると、ＣｕＫａ（８．０５ｋｅＶ）のＸ線ビームの入射角は、約０．１５°〜０．２３°になるはずである。この低角度では、Ｘ線ビームは、Ｘ方向の幅よりもはるかに大きなＹ方向のスポット長さを有する細長いスポット全体にわたって、ウエハ２２の表面に入射する。例えば、平行光学系３０から出るビームの幅が８０μｍの場合、ウエハ２２のスポットは、幅約８０μｍ、長さ２０〜３０ｍｍになる。したがって、ウエハ２２上のパターン５２が少なくともこの長さであるのが有利である。この場合、入射Ｘ線ビームは、広い面積全体にわたって表面上のパターンと互いに影響し合うので、回折スペクトル４４は比較的高いコントラストを有するようになる。
【００２８】
図４は、本発明の一実施形態にしたがった、システム２０で生成された回折スペクトル４４を示す散乱強度の概略プロットである。上述したように、アレイ４０によって提供される方位角の測度は、散乱ベクトル単位ｑに変換される。スペクトル４４は、ゼロ次の強いピーク６０と、より高次の回折に相当するサイドローブ６２とを含む。回折の基本原理に基づき、ローブ６２の間隔Δｑは単純に２π／Ｌであり、ここで、Ｌはパターン５２の周期である。例えばＬ＝１３０ｎｍのとき、ローブ間隔Δｑは０．００５Å−１であり、これは、前述のＣｕＫａＸ線ラインについては０．０６８°に相当する。アレイ４０が、約２５μｍの検出素子間のピッチを有し、かつウエハ２２上の領域２８から３０〜４０ｃｍの位置に配置された場合、パターン４４は、検出器３８で良好に分解される。
【００２９】
スペクトル４４の検出におけるぼやけを最小限にし、すなわちコントラストを最大限にするために、ウエハ２２に入射するＸ線ビームの角度の広がりを制限することが望ましい。一般に、角度の広がりは、検出器３８において依然として適切な計数率（スループット）および信号対雑音比が得られる、可能な最小値まで低減されるべきである。実際には、システム２０では、これは、標準的には水平（Ｘ）および垂直（Ｚ）の両方向でビーム発散度を約０．１°以下に制限するように、平行光学系３０を調節するべきであることを意味する。しかしながら、これらは経験的数値であり、所定の測定装置に対する最適な設定は、単純な試行錯誤による調節プロセスで決定されてもよい。そのような調節を可能にするために、平行光学系３０の角度範囲が、水平および垂直の両方向において、０．０１°以下のステップで可変であることが望ましい。
【００３０】
ギャップ５８（図３）の幅Ｗ１および側壁角度は、スペクトル４４中のサイドローブ６２の相対高さに基づいてもよい。この目的のため、パラメータとしてギャップ幅および側壁角度を包含する、パターン５２の散乱スペクトルの数学的モデルは、測定された回折スペクトル４４に適合される。最適な適合が得られるパラメータは、パターン５２の実パラメータを表す。この種のフィッティングを実行する方法は、例えば、フーらによる「ナノメートルスケールのライングレーティングの側壁角度および断面のための小角Ｘ線散乱計測」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、９６：４、２００４年、１９８３〜１９８７ページ）、およびウーらによる「ナノスケールのリソグラフィ形状の小角中性子散乱測定」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、８８：１２、２０００年、７２９８〜７３０３ページ）に記載されている。これらの出版物の両方を、参考として本明細書に組み込む。
【００３１】
図５は、基板層５６上に形成されたパターン７０の概略断面図であり、その特性は、本発明の別の実施形態にしたがって、Ｘ線散乱によって測定される。この実施形態では、パターン７０は、薄膜層７４で覆われた隆起部７２を含む。例えば、層７４は、隆起部間のギャップを金属で充填する前に酸化物または半導体材料の隆起部７２上に蒸着される、拡散隔膜を含んでもよい。パターン７０上に層７４を蒸着するプロセスは、層の厚さが、標準的には１０〜２０Åである既定の処理制約内に収まるように、注意深く制御されなければならない。しかしながら、実際には、ウエハの幾何学形状および蒸着設備のため、隆起部７２の側壁７６上に蒸着される層の厚さは、標準的には、隆起部の頂部および底部の水平面上における厚さよりも小さい。そのため、側壁層の厚さを測定することは特に重要である。
【００３２】
図６は、本発明の一実施形態にしたがった、システム２０において側壁層の厚さを測定する方法を概略的に示すフローチャートである。厚さの測定は、回折スペクトル４４中のサイドローブ６２の相対強度におけるばらつきに基づく。測定を行なうため、基準獲得ステップ８０において、パターン７０を備えるが、パターンの側壁上に層７４が形成されていない基準試料を、領域２８に配置する。プロセッサ４２は、基準試料を用いて基準回折スペクトルを獲得する。プロセッサは、ピーク位置決めステップ８２において、このスペクトルを解析してローブ６２の位置を確定し、ローブのピーク強度を記録する。最初のＮ個のサイドローブのピーク強度（対称であるべきである回折パターンの左側および右側全体にわたって平均化されたもの）を、アレイｆ［ｋ］（ｋ＝１，…，Ｎ）の形で格納する。
【００３３】
次に、試料獲得ステップ８４において、側壁７６上の層７４を包含する、パターン７０を備えた実際の試料を領域２８に配置し、プロセッサ４２で、試料の回折スペクトルを獲得する。プロセッサは、ピーク測定ステップ８６において、このスペクトル中のサイドローブのピーク強度を記録し、対応するアレイＦ［ｋ］の形でピーク強度を格納する。この回折スペクトル中のサイドローブの間隔Δｑは、基準スペクトルと同じであるべきであり、サイドローブのピーク強度に何らかの変化があれば、層７４の影響によるものと考えることができる。したがって、プロセッサ４２は、正規化ステップ８８において、格納された基準アレイｆ［ｋ］を用いて試料ピーク測定値を正規化し、それにより、ピーク強度の正規化したアレイＧ［ｋ］＝Ｆ［ｋ］／ｆ［ｋ］を得て、回折スペクトルに対する層７４の影響を分離する。
【００３４】
Ｇ［ｋ］における各ピークの次数ｋは、対応する方位角θ（対応するローブ６２の中央ピーク６０からの角変位に等しい）に関連付けられ、回折角の関数としてのスペクトルＧ（θ）が得られる。θを有するサイドローブのピーク強度におけるばらつき（ステップ８８の正規化後）が、側壁７６の反射特性に依存するという意味で、Ｇ（θ）は反射率スペクトルである。この特性を、後に続く図を参照してさらに説明する。
【００３５】
図７は、本発明の一実施形態にしたがった、図６の方法を用いてシステム２０で生成される反射率スペクトル１００（Ｇ（θ））を示す概略プロットである。縦棒１０２は、回折次数ｋ＝０，１，２，…に対するＧ（θ）の値を表す。値は、周期Δθでの、振動変調パターンの角度に応じて変わる。振動は、側壁７６上の層７４の外側表面から反射したＸ線と、層７４表面下の隆起部７２の垂直側面から反射したＸ線との干渉によるものである。周期Δθは、側壁上の層７４の厚さによって決まる。
【００３６】
スペクトル１００は、したがって、例えば米国特許第６，５１２，８１４号および第６，６３９，９６８号に記載されるように、Ｘ線反射率（ＸＲＲ）スペクトルと類似しており、それらの開示を、参考として本明細書に組み込む。（ただし、このようなスペクトルは、通常は仰角の関数として測定され解析され、スペクトル１００は、方位角の関数として測定され解析される。）ＸＲＲスペクトルは、試料表面上に形成された薄膜層の特性を表す、振動パターンを含む。前述の特許に記載されるように、厚さ、密度および表面品質を包含する薄膜層の特性を導き出すために、パラメトリックモデルはＸＲＲスペクトルに適合されてもよい。同様に、本発明の場合、プロセッサ４２は、フィッティングステップ９０（図６）で、曲線１０４をスペクトル１００に適合させる。この種のフィッティングを実行する方法は、例えば、コジマらの「Ｘ線反射率による薄膜の構造特性決定」（理学ジャーナル、１６：２、１９９９年、３１〜４１ページ）に記載されるように、ＸＲＲ分野において既知であり、これを参考として本明細書に組み込む。曲線１０４の振動周波数（すなわち、１／Δθ）は、側壁７６上の層７４の厚さに比例する。したがって、プロセッサ４２は、曲線１０４を用いて、この厚さが所望の範囲内にあるか否かを判断する。
【００３７】
図８は、本発明の一実施形態にしたがった、半導体デバイス形成加工で使用されるクラスタツール１１０の概略平面図である。クラスタツールは、半導体ウエハ１１２上に薄膜を蒸着するための蒸着ステーション１１４、検査ステーション１１６、および洗浄ステーションなどの当該技術分野で既知の他のステーション１１８を包含する、複数のステーションを備える。検査ステーション１１６は、上述のようなシステム２０と類似の方式で構成され、作動する。ロボット１２０は、システムコントローラ１２２の制御の下で、ステーション１１４、１１６、１１８、…の間でウエハ１１２を移送する。ツール１１０の動作は、コントローラ１２２に結合されたワークステーション１２４を使用して、オペレータによって制御され、モニタされてもよい。
【００３８】
検査ステーション１１６は、標準的には反射モードのＸ線散乱によって、ウエハ１１２上で限界寸法の測定を実行するのに使用される。そのような測定は、ツール１１０の蒸着ステーション１１４および他のステーションによって実行される、作成プロセスにおける選択された工程の前および／または後に実施される。ステーション１１６を使用することで、コントローラ１２２および場合によってはワークステーション１２４を用いて、プロセスの偏差を早期に検出し、また作成ウエハ上のプロセスパラメータを簡便に調節し、評価することが可能になる。
【００３９】
図９は、本発明の別の実施形態にしたがった、半導体ウエハの形成加工およびその場（ｉｎ  ｓｉｔｕ）検査のためのシステム１３０の概略側面図である。システム１３０は、当該技術分野で既知のように、ウエハ１１２上に薄膜を作成するための、蒸着装置１３４を含む真空チャンバ１３２を備える。ウエハは、チャンバ１３２内の可動ステージ２４上に載置される。チャンバは、標準的にはＸ線ウィンドウ１３６を備える。これらのウィンドウは、米国特許公開公報ＵＳ２００１／００４３６６８  Ａ１に記載されるタイプのものであってもよく、その開示を参考として本明細書に組み込む。Ｘ線源２６は、上述の方式で、ウィンドウ１３６の１つを介してウエハ１１２の領域２８を照射する。図１に示される要素のいくつかは、簡便のため図９では省略するが、標準的には、この種の要素は同様にシステム１３０に組み込まれる。
【００４０】
領域２８から散乱したＸ線は、別のウィンドウ１３６を介して、検出器アセンブリ３８のアレイ４０で受け取られる。プロセッサ４２は、ウエハ１１２からのＸ線散乱を測定することで、チャンバ１３２内の作成における構造の限界寸法を評価するために、検出器アセンブリ３８から信号を受け取り、信号を処理する。限界寸法の測定結果は、システム１３０で作成される薄膜が所望の寸法を有するように、蒸着装置１３４を制御する上で使用してもよい。
【００４１】
上述の実施形態は、特にＸ線散乱に言及しているものの、本発明の原理は、Ｘ線解析の他の分野において、必要な変更を加えて同様に使用されてもよい。代表的な応用分野としては、特に斜出射ＸＲＦを包含する蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析、ならびに当該技術分野で既知の他のＸＲＦ技術が挙げられる。斜出射ＸＲＦは、例えば、ウィーナーらによる論文「斜出射蛍光Ｘ線分光分析による窒化チタン層の特性決定」（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  １２５、１９９８年、１２９ページ）に記載されており、これを参考として本明細書に組み込む。例えば前述の米国特許第６，３８１，３０３号に記載されるように、蛍光Ｘ線測定は、システム２０に組み込まれてもよい。加えてまたは別の方法として、米国特許公開公報２００４／０１５６４７４  Ａ１として発行された、米国特許出願第１０／３６４，８８３号に記載されるように、システムを、Ｘ線反射率測定ならびに小角散乱測定に適応させてもよく、その開示を参考として本明細書に組み込む。さらに加えてまたは別の方法として、システム２０を、他のタイプのＸ線回折測定に適応させてもよい。さらに、システム２０の原理は、γ線および他の核放射線を検出するものなど、他のエネルギー範囲に対する位置感知可能な検出システムで利用してもよい。
【００４２】
したがって、上述の実施形態は例示目的で挙げられたものであり、また本発明は、上記に特に示し、記載してきたものに限定されないことが理解されるであろう。より正確には、本発明の範囲は、上述の多様な特徴の組み合わせおよび下位の組み合わせの両方、ならびに、上述の記載を読むことによって当業者が想到するであろうと考えられ、かつ従来技術には開示されていない、組み合わせの変形および修正を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態にしたがった、Ｘ線を用いて限界寸法を測定するための装置の概略側面図である。
【図２】半導体ウエハおよびウエハ上の周期パターンの詳細の概略平面図である。
【図３】線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った図２のテストパターンの概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にしたがった、散乱ベクトルｑの関数としての散乱強度の概略プロットである。
【図５】薄膜層で覆われた試料表面上の周期パターンの概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態にしたがった、薄膜層の側壁の厚さを測定する方法を概略的に示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態にしたがった、一連の回折次数の強度の概略プロットである。
【図８】本発明の一実施形態にしたがった、検査ステーションを包含する半導体デバイス形成加工のためのクラスタツールの概略平面図である。
【図９】本発明の一実施形態にしたがった、Ｘ線検査能力を備えた半導体加工チャンバの概略側面図である。
【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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【外国語明細書】
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