(57)【要約】  本願には、比較的小さなツールフットプリントを有する透過型小角Ｘ線スキャタロメトリ（ＴＳＡＸＳ）システムにより半導体デバイスの寸法及び素材特性を解明する方法及びシステムが記載されている。本願記載の方法によれば、半導体構造の計量に相応しいＱ空間分解能を、短縮された光路長で以て実現することができる。大略、比較的小さいターゲット向けにはＸ線ビームをウェハ表面寄りに集束させ、比較的大きいターゲット向けには検出器寄りに集束させる。幾つかの実施形態によれば、小さな点拡がり関数（ＰＳＦ）を有する高分解能検出器を採用することで、達成可能Ｑ分解能に対する検出器ＰＳＦ性制限を軽減することができる。幾つかの実施形態では、光子変換事象により誘発された電子雲の重心を求めることで、検出器により入射光子の位置がサブ画素正確度で特定される。幾つかの実施形態では、検出器により、入射個所に加え一通り又は複数通りのＸ線光子エネルギが分解検出される。
2020516900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線輻射塊を生成するよう構成されたＸ線照明源と、
ウェハ表面上に形成された計測ターゲットを前記Ｘ線輻射塊の入射集束ビームで以て照明するよう構成されたＸ線照明光学系サブシステムと、
前記計測ターゲットを前記入射集束ビームに対し複数通りの向きに位置決めする試料位置決めシステムと、
各向きにて前記入射集束ビームに応じ前記計測ターゲットで散乱された輻射塊のうち複数通りの回折次数それぞれに係る強度を検出するよう構成されており、前記照明源・自検出器間光路長が３ｍ未満であるＸ線検出器と、
情報処理システムと、
を備え、その情報処理システムが、
前記複数通りの相異なる向きにおける前記複数通りの回折次数の強度検出結果に基づき前記計測ターゲットに係る注目パラメタの値を求めるよう構成された計量システム。
【請求項２】
請求項１に記載の計量システムであって、前記Ｘ線照明光学系サブシステムが、前記集束ビームを、前記ウェハ表面より前２００ｍｍ未満のところ、前記計測ターゲットのところ、前記検出器のところ、或いは前記計測ターゲット・前記検出器間光路沿いのいずれかの個所に、集束させる計量システム。
【請求項３】
請求項１に記載の計量システムであって、前記Ｘ線照明光学系サブシステムが、前記計測ターゲットから１００ｍｍ以内に所在する１個又は複数個のビーム整形スリットを有する計量システム。
【請求項４】
請求項１に記載の計量システムであって、前記計測ターゲットから前記Ｘ線検出器までの光路のうち一部分が真空中で保持される計量システム。
【請求項５】
請求項１に記載の計量システムであって、前記Ｘ線検出器が真空中で保持される計量システム。
【請求項６】
請求項１に記載の計量システムであって、前記Ｘ線検出器が複数個の画素を有し、その画素それぞれが、１００μｍ未満のサイズと、それら複数個の画素のうち第１画素よりも小さい点拡がり関数と、を有しているため、回折ビームのうち第１画素の隣にある第２画素上に入射する部分が、その回折ビームのうち第１画素上に入射する部分の０．１％未満となる計量システム。
【請求項７】
請求項１に記載の計量システムであって、前記Ｘ線検出器の感光ボリュームがテルル化カドミウム、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム又はそれらの何らかの組合せを含有する計量システム。
【請求項８】
請求項７に記載の計量システムであって、前記感光ボリュームが少なくとも５００μｍ厚である計量システム。
【請求項９】
請求項１に記載の計量システムであって、前記Ｘ線検出器が、自Ｘ線検出器の各画素にて複数通りのエネルギレベル間を補間する計量システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の計量システムであって、前記Ｘ線検出器が、自検出器との光子相互作用の重心の位置をサブ画素分解能で以て求める計量システム。
【請求項１１】
請求項１に記載のシステムであって、前記集束ビームが、重力ベクトルに対し略平行な方向に伝搬するシステム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムであり、前記回折次数のうち二通り以上が前記検出器上で空間的に重なり合うシステムであって、前記情報処理システムが、更に、
前記重なり合う回折次数それぞれの強度を０次回折次数のビーム形状に基づき求めるよう構成されたシステム。
【請求項１３】
請求項１に記載の計量システムであって、前記計測ターゲットが１個又は複数個の高アスペクト比構造を有する計量システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の計量システムであって、前記１個又は複数個の高アスペクト比構造が、スピン注入磁化反転ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＲＡＭ）、三次元ＮＡＮＤメモリ（３Ｄ−ＮＡＮＤ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、三次元ＦＬＡＳＨメモリ（３Ｄ−ＦＬＡＳＨ（登録商標））、抵抗変化型ランダムアクセスメモリ（Ｒｅ−ＲＡＭＰＣ）及び相変化ランダムアクセスメモリ（ＰＣ−ＲＡＭ）のうちいずれかである計量システム。
【請求項１５】
ウェハ表面上に形成された計測ターゲットを、１５ｋｅＶ以上のエネルギレベルのＸ線輻射ビームで以て照明するステップと、
前記入射ビームに応じ前記計測ターゲットで散乱された輻射塊のうち複数通りの回折次数に係る強度を検出するステップであり、照明源・検出器間光路長が３ｍ未満であり、強度を検出する検出器の表面上で当該複数通りの回折次数のうち二通り以上が空間的に重なり合うステップと、
それら重なり合う回折次数それぞれの強度を０次回折次数のビーム形状に基づき求めるステップと、
前記複数通りの回折次数の強度に基づき前記計測ターゲットに係る注目パラメタの値を求めるステップと、
を有する方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記Ｘ線輻射ビームを、前記ウェハ表面より前２００ｍｍ未満のところ、前記計測ターゲットのところ、前記検出器のところ、或いは前記計測ターゲット・前記検出器間光路沿いのいずれかの個所に、集束させる方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、前記検出器が複数個の画素を有し、その画素それぞれが、１００μｍ未満のサイズと、それら複数個の画素のうち第１画素よりも小さい点拡がり関数と、を有しているため、回折ビームのうち第１画素の隣にある第２画素上に入射する部分が、その回折ビームのうち第１画素上に入射する部分の０．１％未満となる方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、更に、
Ｘ線検出器の各画素にて複数通りのエネルギレベル間を補間するステップを有する方法。
【請求項１９】
Ｘ線輻射塊を生成するよう構成されたＸ線照明源と、
ウェハ表面上に形成された計測ターゲットを前記Ｘ線輻射塊の入射集束ビームで以て照明するよう構成されたＸ線照明光学系サブシステムと、
前記入射集束ビームに応じ前記計測ターゲットで散乱された輻射塊のうち複数通りの回折次数それぞれに係る強度を各向きにて検出するよう構成されており、前記照明源・自検出器間光路長が３ｍ未満であり、自Ｘ線検出器の表面上でそれら複数通りの回折次数のうち二通り以上が空間的に重なり合うＸ線検出器と、
非一時的コンピュータ可読媒体と、
を備え、その非一時的コンピュータ可読媒体が、
それら重なり合う回折次数それぞれの強度を０次回折次数のビーム形状に基づき情報処理システムに求めさせるコードと、
前記複数通りの回折次数の強度導出結果に基づき前記計測ターゲットに係る注目パラメタの値を前記情報処理システムに求めさせるコードと、
を有する計量システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載の計量システムであって、前記Ｘ線照明光学系サブシステムが、前記集束ビームを、前記計測ターゲットのところ、前記検出器のところ、或いは前記計測ターゲット・前記検出器間光路沿いのいずれかの個所に、集束させる計量システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
記載されている諸実施形態は計量システム及び方法に関し、より具体的には計測正確度が改善された方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願への相互参照）
本特許出願は、２０１７年４月１４日付米国仮特許出願第６２／４８５４９７号に基づき米国特許法第１１９条の規定による優先権を主張する出願であるので、この参照を以てその主題の全容を本願に繰り入れることにする。
【０００３】
半導体デバイス例えば論理デバイス及び記憶デバイスは、通常、一連の処理工程を試料に適用することで製造される。それら処理工程によりそれら半導体デバイスの様々なフィーチャ（外形特徴）及び構造階層群が形成される。例えば、就中、リソグラフィは、半導体ウェハ上でのパターンの生成を孕む半導体製造プロセスの一つである。半導体製造プロセスの更なる例としては、これに限られるものではないが、化学機械研磨、エッチング、堆積及びイオンインプランテーションがある。複数個の半導体デバイスを１枚の半導体ウェハ上に作成し、その上で個別の半導体デバイスへと分けるようにするとよい。
【０００４】
計量プロセスは半導体製造プロセス中の様々な工程で用いられており、それによりウェハ上の欠陥を検出して歩留まり向上を促進することができる。多数の計量依拠技術、例えばスキャタロメトリ（散乱計測法）及びリフレクトメトリ（反射計測法）の装置やそれに係る分析アルゴリズムが広く用いられ、それにより限界寸法、膜厚、組成その他、ナノスケール構造のパラメタが解明されている。
【０００５】
以前から、スキャタロメトリ限界寸法（ＳＣＤ）計測が、薄膜及び／又は反復性周期構造からなるターゲットに対し実行されている。デバイス製造中には、それらの膜及び周期構造により、通常、実デバイス幾何及び素材構造又は中間デザインが体現される。デバイス（例．論理デバイス及び記憶デバイス）はより小さなナノメートルスケールという寸法へと移行しつつあり、特性解明がより困難になっている。デバイスに複雑な三次元幾何が組み込まれ、また多様な物理特性を有する素材が組み込まれることが、特性解明困難性に与っている。例えば、昨今のメモリ構造は高アスペクト比三次元構造であることが多いため、光学輻射を下層まで浸透させることが難しくなっている。光学計量ツールで利用される赤外〜可視光は多数の半透明素材層に浸透させうるが、良好な浸透深度が実現される長めの波長は小さな異常に対し十分な感度を呈さない。加えて、複雑な構造（例．ＦｉｎＦＥＴ）の特徴記述に必要なパラメタの個数が増しつつあり、ひいてはパラメタ相関が増しつつある。結果として、ターゲットの特徴を記述するパラメタを、入手可能な計測結果から信頼性よく分離させられないことが多くなる。
【０００６】
例えば、スタック内交互配置素材の一つとしてポリシリコンを利用する３Ｄ−ＦＬＡＳＨ（登録商標）デバイスに係る浸透問題を克服する企図で、より長い波長（例．近赤外）が採用されている。しかしながら、３Ｄ−ＦＬＡＳＨ（登録商標）に備わる鏡状構造故に、生来的に、その膜スタック内のより深部へと照明が伝搬するにつれ光強度が低下していく。これは深部における感度ロス及び相関問題を引き起こす。このシナリオによれば、ＳＣＤで行えるのは、少数組の計量寸法を高感度及び低相関で首尾よく抽出することだけである。
【０００７】
また例えば、昨今の半導体構造では不透明高ｋ素材の採用が増えている。光学輻射は、これらの素材で構成された層に対し浸透不能であることが多い。結果として、薄膜スキャタロメトリツール、例えばエリプソメータ（楕円偏向計）やリフレクトメータ（反射計）による計測が、ますます困難になってきている。
【０００８】
これらの困難事を踏まえ、より複雑な光学計量ツールが開発されている。例えば、ツールの照明角を複数通りにし、照明波長を短めにし、照明波長域を広めにし、また反射信号からの情報獲得をより無欠にしたもの（例．より在来的な反射率信号やエリプソメトリ信号に加え複数個のミュラー行列要素を計測するもの）が開発されている。しかしながら、これらの手法では、多くの先進ターゲット（例．複雑な３Ｄ構造、１０ｎｍ未満の小構造、不透明素材採用構造）の計測及び計測アプリケーション（例．ラインエッジ粗さ計測及びライン幅粗さ計測）に関連する基本的困難事が、信頼性よく克服されていない。
【０００９】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）及び走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）は、原子分解能を達成可能であるものの、試料の表面しか探査することができない。加えて、ＡＦＭ顕微鏡やＳＴＭ顕微鏡では長い走査時間が必要となる。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）では中程度の分解能が達成されるが、十分な深度まで構造に浸透することができない。そのため、高アスペクト比孔を良好に特性解明することができない。加えて、余儀なき試料帯電がイメージング性能に悪影響を及ぼす。Ｘ線リフレクトメータも浸透問題に悩まされており、それにより高アスペクト比構造計測時の有効性が限定されている。
【００１０】
浸透深度問題を克服するため、従来のイメージング技術例えばＴＥＭ、ＳＥＭ等々では、破壊型標本調製技術例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）マシニング、イオンミリング、ブランケットエッチング、選択性エッチング等々が併用されている。例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）では、高い分解能レベルが達成されるし任意深度を探査可能だが、試料の破壊的分断が必要となる。素材除去及び計測を数回反復することで、一般には、三次元構造全体に亘り限界計量パラメタを計測するのに必要な情報がもたらされる。しかし、これらの技術では標本破壊や長時間処理が必須となる。これらの種類の計測を完遂するのが面倒であり時間がかかることで、エッチング工程及び計量工程のドリフトによる多大な不正確性が持ち込まれる。加えて、これらの技術では多数回の反復が必要であり、それによりレジストレーション（位置合わせ）誤差が持ち込まれる。
【００１１】
硬Ｘ線エネルギレベル（＞１５ｋｅＶ）の光子を採用する透過型小角Ｘ線スキャタロメトリ（Ｔ−ＳＡＸＳ）システムには、困難事を抱える計測アプリケーションに対処できる見込みがある。ＳＡＸＳテクノロジの限界寸法計測への適用（ＣＤ−ＳＡＸＳ）及びオーバレイ計測への適用（ＯＶＬ−ＳＡＸＳ）の様々な態様が、１）「高輝度Ｘ線計量」(High-brightness X-ray metrology)と題するＺｈｕａｎｇ及びＦｉｅｌｄｅｎ名義の特許文献１、２）「Ｘ線兼光学複合計量用モデル構築兼分析エンジン」(Model Building And Analysis Engine For Combined X-Ray And Optical Metrology)と題するＢａｋｅｍａｎ、Ｓｈｃｈｅｇｒｏｖ、Ｚｈａｏ及びＴａｎ名義の特許文献２、３）「Ｘ線計量を用いる半導体デバイスオーバレイ計測方法及び装置」(Methods and Apparatus For Measuring Semiconductor Device Overlay Using X-Ray Metrology)と題するＶｅｌｄｍａｎ、Ｂａｋｅｍａｎ、Ｓｈｃｈｅｇｒｏｖ及びＭｉｅｈｅｒ名義の特許文献３、４）「Ｘ線依拠計量向けの計測システム最適化」(Measurement System Optimization For X-Ray Based Metrology)と題するＨｅｎｃｈ、Ｓｈｃｈｅｇｒｏｖ及びＢａｋｅｍａｎ名義の特許文献４、５）「高アスペクト比構造向けＸ線計量」(X-ray Metrology For High Aspect Ratio Structures)と題するＤｚｉｕｒａ、Ｇｅｌｌｉｎｅａｕ及びＳｈｃｈｅｇｒｏｖ名義の特許文献５、並びに６）「Ｘ線スキャタロメトリシステム向けフルビーム計量」(Full Beam Metrology for X-Ray Scatterometry Systems)と題するＧｅｌｌｉｎｅａｕ、Ｄｚｉｕｒａ、Ｈｅｎｃｈ、Ｖｅｌｄｍａｎ及びＺａｌｕｂｏｖｓｋｙ名義の米国特許出願第１５／４１９１３０号に記載されているので、この参照を以てそれら文献それぞれの全容を本願に繰り入れることにする。上掲の特許及び出願は、米国カリフォルニア州ミルピタス所在のＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに譲受されている。加えて、「Ｘ線スキャタロメトリ装置」(X-ray scatterometry apparatus)と題するＭａｚｏｒ  ｅｔ  ａｌ．名義の特許文献６に、半導体構造に対するＳＡＸＳテクノロジの適用の様々な態様が記載されているので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。
【００１２】
ＳＡＸＳは、素材の特性解明や他の非半導体関連アプリケーションにも適用されている。そのシステム例が幾つかの企業、例えばＸｅｎｏｃｓ  ＳＡＳ(www.xenocs.com)、Ｂｒｕｋｅｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ(www.bruker.com)及び株式会社リガク(www.rigaku.com/en)により商業化されている。Ｂｒｕｋｅｒ及びリガクの両者は小角Ｘ線スキャタロメトリシステム及び広角Ｘ線スキャタロメトリシステムを提供しており、それぞれ「Ｎａｎｏｓｔａｒ（商標）」及び「Ｎａｎｏｐｉｘ（商標）」と名付けられている。これらのシステムでは標本対検出器距離が可調である。
【００１３】
半導体構造のＣＤ−ＳＡＸＳ計量についての研究は科学文献にも記載されている。大半の研究グループにて高輝度シンクロトロンＸ線源が採用されているが、それらはその巨大なサイズ、多大なコスト等々故に半導体製造設備での使用に適していない。そうしたシステムの一例が非特許文献１に記載されているので、この参照を以て同文献の全容を本願に繰り入れることにする。より最近では、アメリカ国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）のあるグループが始めた研究で、特許文献１に記載のそれに類するコンパクトで明るいＸ線源が採用されている。この研究のことが非特許文献２に記載されているので、この参照を以て同文献の全容を本願に繰り入れることにする。
【００１４】
ＳＡＸＳシステムでは幾種類かの検出器、例えばハイブリッド画素光子計数型検出器、電荷積分画素アレイ型検出器、気相アバランシェ型検出器等々が採用されている。利用可能な検出器の画素サイズは約５０μｍ〜約２００μｍの範囲に及んでいる。２５μｍ画素を有するプロトタイプが現在開発中である。
【００１５】
全ての従来型ＳＡＸＳアーキテクチャで重大な短所は、典型的な半導体構造を計測するのに必要な機器がかなり大型なことである。検出器にて回折像を解像するには精細な角度分解能が必要になる。現状では、その分解能が、機器の長さを増すことで達成されているのである。
【００１６】
一例としては、Ｂｒｕｋｅｒ製の「Ｎａｎｏｓｔａｒ（商標）」システムを適宜構成することで、標本対計測器距離を１０７０ｍｍ、検出器の画素サイズを６８μｍ、ｑ空間分解能を５×１０−３オングストローム−１にすることができる。
【００１７】
半導体製造設備では、軽量ツール及び検査ツールを比較的小さなフットプリントサイズに従わせ、それにより高価なクリーンルーム空間の使われ具合を高めてより多数のツールを受けいれるようにしないと、スループットを高めることができない。従って、現用ＳＡＸＳシステムのツール長を現在の水準から縮めて、実際の半導体製造装置にて有用な水準にしなければならない。
【００１８】
更に、硬Ｘ線検出器の分解能もまた、半導体デバイスの詳細プロファイルを再構築する上で、現用システムの能力にとり制限となっている。例えば、現在の垂直ＮＡＮＤ（ＶＮＡＮＤ（商標））構造はμｍオーダの基本ピッチ長で以て作成されている。こうした構造の計測を硬Ｘ線で以て行うと非常に精細な回折パターンが生じるが、これは、ツール長を非現実的なもの（例．４０ｍ未満のツール長）としない限り、角度分解能のみに依拠して解像することができない。そのため、この計測アプリケーションは、現在のツールでは実行不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第７９２９６６７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／００１９０９７号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１５／０１１７６１０号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１６／０２０２１９３号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１７／０１６７８６２号明細書
【特許文献６】米国特許第９６０６０７３号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１５／０１１０２４９号
【特許文献８】米国特許第７８２６０７１号明細書
【特許文献９】米国特許第７４７８０１９号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第２０１５／０３００９６５号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２０１３／０３０４４２４号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第２０１６／０３２０３１９号明細書
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】"Intercomparison between optical and x-ray scatterometry measurements of FinFET structures" by Lemaillet, Germer, Kline et al., Proc. SPIE, v.8681, p. 86810Q (2013)
【非特許文献２】"X-ray scattering critical dimensional metrology using a compact x-ray source for next generation semiconductor devices," J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 16(1), 014001 (Jan-Mar 2017)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
まとめると、現在のＣＤ／ＯＶＬ−ＳＡＸＳシステムは、フットプリントが大きすぎ、分解能が低く、角度オーダ分離に頼っているため、生産用の半導体製造設備での実施に適していない。デバイス性能を更に改善するため、半導体業界では、横方向スケーリングではなく縦集積（垂直集積）が注目され続けている。そのため、複雑な全三次元構造の正確な計測が、実行可能性及び持続的スケーリング改良を確実化する上で肝要である。将来の計量アプリケーションで現れる計量関連困難事としては、分解能条件の更なる精細化、多パラメタ相関、幾何構造例えば高アスペクト比構造の更なる複雑化、並びに不透明素材使用の増加によるものがある。そのため、改善されたＸ線スキャタロメトリ計測方法及びシステム、とりわけ分解能が改善されていてフットプリントがより小さなものが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本願には、比較的小さなツールフットプリントを有する透過型小角Ｘ線スキャタロメトリ（ＴＳＡＸＳ）システムにより半導体デバイスの寸法及び素材特性を解明する方法及びシステムが記載されている。本願記載の方法及びシステムによれば、半導体構造の計量に相応しいＱ空間分解能を、短縮された光路長で以て実現することができる。
【００２３】
ある態様では、ＴＳＡＸＳ計測システムにて、比較的短い光路長（例．照明源から検出器まで３ｍ未満）に亘り硬Ｘ線照明が採用され、それによりターゲットが比較的小寸法のもの（例．約５０ｎｍ）から比較的大寸法のもの（例．最大１０μｍ）まで計測される。
【００２４】
更なる態様では、ＴＳＡＸＳ計測システムにて標本を照明するに当たり、Ｘ線ビームをウェハ表面より前２００ｍｍ未満のところ、計測ターゲット、検出器表面、或いはウェハ表面・検出器表面間のいずれかの個所に集束させ、それにより達成可能Ｑ分解能に対する光学焦点性制限が軽減される。大略、極力小さな照明スポットサイズで以て照明されねばならない比較的小さなターゲットを孕む計量アプリケーションでは、そのＸ線ビームをウェハ表面寄りに集束させる。高い解像度及び強い光子束が望ましい比較的大きなターゲットを孕む計量アプリケーションでは、そのＸ線ビームを検出器寄りに集束させる。
【００２５】
他の更なる態様では、ＴＳＡＸＳ計測システムに、小さなＰＳＦを有する高分解能検出器が設けられ、それにより達成可能Ｑ分解能に対する検出器ＰＳＦ性制限が軽減される。光学焦点がウェハ及び検出器に比しどこにあっても、ウェハ対検出器距離Ｄが比較的小さな値（例．１ｍ未満）まで縮まっているときには高分解能検出器が役立つ。
【００２６】
他の態様では、光子変換事象により誘発された電子雲の重心（質量中心）の位置が、検出器により計算される。重心の位置により入射光子の位置がサブ画素正確度で以て求まる。これにより画素サイズが効果的に縮小され、幾何学的限界を超えるＱ分解能が実現される。本願記載のサブ画素空間補間は、１ｍ未満のウェハ対検出器距離で以てする半導体構造のＴＳＡＸＳ計測に望ましい。
【００２７】
幾つかの実施形態では、比較的短い光路長を有するＴＳＡＸＳシステムが、鉛直配置された（即ちウェハ表面に対する法線が重力ベクトルに対しほぼ垂直な）ウェハ上に水平方向光路が入射するよう構成される。他方、他の幾つかの実施形態では、比較的短い光路長を有するＴＳＡＸＳシステムが、水平配置された（即ちウェハ表面に対する法線が重力ベクトルに対しほぼ平行な）ウェハ上に鉛直方向光路が入射するよう構成される。ビームラインを鉛直方向に向けることで、より小さなツールフットプリントを実現できウェハハンドリングが単純化される。
【００２８】
他の更なる態様では、Ｘ線検出器により一通り又は複数通りのＸ線光子エネルギが分解され、試料の特性を示すＸ線エネルギ成分毎の信号が生成される。このようにすると、その検出器におけるＸ線光子相互作用が、画素位置及び計数値に加えエネルギにより弁別される。幾つかの実施形態では、そのＸ線光子相互作用が、Ｘ線光子相互作用のエネルギを所望の上しきい値及び所望の下しきい値と比較することで弁別される。
【００２９】
他の態様では、ＴＳＡＸＳシステムが、ある方向沿いに空間分離されている次数、しかしそれと直交する方向沿いでは重なり合う次数に基づき、ターゲットを計測するよう、構成される。こうした実施形態のうちあるものでは、１個又は複数個の注目パラメタの値が、それら回折次数が空間分離される方向に沿い求められる。以後はそれらのパラメタ値を採用して、重なり合う次数に基づき１個又は複数個の注目パラメタの値が求められる。
【００３０】
他の態様では、ビーム整形スリット機構のスリットが計測下試料に至近配置され、それにより、有限な光源サイズにより定まるビーム発散による入射ビームスポットサイズの拡大が最小化される。例えば、Ｘ線源サイズが１０μｍ、ビーム整形スリット・試料１０１間距離が２５ｍｍである場合に、光源サイズが有限であることで生じる影によるビームスポットサイズの拡がりが約１μｍとなる。他の諸例では、試料から１００ｍｍ未満のところにビーム整形スリットが配置され、それによりビーム発散が制御される。
【００３１】
他の更なる態様では、Ｔ−ＳＡＸＳシステムを利用し散乱光の一通り又は複数通りの回折次数に依拠し試料の特性（例．構造パラメタ値）が求められる。
【００３２】
以上は概要であるので、随所に単純化、一般化及び細部省略が含まれている；従って、本件技術分野に習熟した者（いわゆる当業者）には明らかな通り、この概要は専ら例証的なものであり如何様であれ限定的なものではない。本願記載の装置及び／又はプロセスの他の態様、独創的特徴及び長所については、本願中で説明される非限定的詳細記述にて明らかとされよう。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本願記載の如くＸ線スキャタロメトリ計測を実行するよう構成された計量システム１００を描いた図である。
【図２】ビーム整形スリット機構のスリットであり入来ビームを阻止しない位置にあるものを記した図である。
【図３】ビーム整形スリット機構のスリットであり入来ビームの一部分を阻止する位置にあるものを記した図である。
【図４】角度φ及びθにより記述される特定の向きにてウェハ上に入射するＸ線照明ビームを記した図である。
【図５】Ｘ線光学系の焦点が検出器表面又はその付近に所在するよう構成された計量システム１００を描いた図である。
【図６】計量システム例えば計量システム１００により計測された散乱次数の像１７１を記した図である。
【図７】計量システム例えば計量システム１００により計測された散乱次数の像１７２を記した図である。
【図８】図７に記した像１７２の断面Ｃに係る強度プロファイルのプロット１７３を記した図である。
【図９】計量システム１００の構成諸要素が計測下試料とは別の真空環境内に収容されたものを描いた図である。
【図１０】本願記載の諸方法に従いＸ線スキャタロメトリデータに基づき試料パラメタ値を分解するよう構成されたモデル構築兼分析エンジン１５０を描いた図である。
【図１１Ａ】本願記載の要領での計測に供された典型的３Ｄ−ＦＬＡＳＨ（登録商標）メモリデバイス１９０の等角図である。
【図１１Ｂ】本願記載の要領での計測に供された典型的３Ｄ−ＦＬＡＳＨ（登録商標）メモリデバイス１９０の上面図である。
【図１１Ｃ】本願記載の要領での計測に供された典型的３Ｄ−ＦＬＡＳＨ（登録商標）メモリデバイス１９０の断面図である。
【図１２】本願記載の小フットプリントＸ線スキャタロメトリ計測に依拠する構造計測方法の例３００を描いたフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、添付図面にその例が描かれている発明の背景例及び幾つかの実施形態を詳細に参照する。
【００３５】
本願には、比較的小さなツールフットプリントを有する透過型小角Ｘ線スキャタロメトリ（ＴＳＡＸＳ）システムにより半導体デバイスの寸法及び素材特性を解明する方法及びシステムが記載されている。このシステム及び技術を採用することで、相異なる半導体製造プロセスに係る構造特性及び素材特性を計測することができる。幾つかの例によれば、これに限られるものではないがスピン注入磁化反転ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＲＡＭ）、三次元ＮＡＮＤメモリ（３Ｄ−ＮＡＮＤ）又は垂直ＮＡＮＤメモリ（Ｖ−ＮＡＮＤ（登録商標））、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、三次元ＦＬＡＳＨメモリ（３Ｄ−ＦＬＡＳＨ（登録商標））、抵抗変化型ランダムアクセスメモリ（Ｒｅ−ＲＡＭ）及び相変化ランダムアクセスメモリ（ＰＣ−ＲＡＭ）を初めとする高アスペクト比半導体構造の限界寸法、厚み、オーバレイ及び素材特性を、ＴＳＡＸＳを用い計測することができる。
【００３６】
高輝度ＴＳＡＸＳの使用により、ターゲットの不透明エリア内への大光束Ｘ線輻射浸透が可能になる。Ｘ線スキャタロメトリを用い計測可能な幾何パラメタの例には、孔（ポア）サイズ、孔密度、ラインエッジ粗さ、ライン幅粗さ、側壁（サイドウォール）角、プロファイル、限界寸法、オーバレイ、エッジ配置誤差及びピッチがある。計測可能な素材パラメタの例には電子密度がある。幾つかの例によれば、Ｘ線スキャタロメトリにより、５０ｎｍ未満の小フィーチャの計測や、先進的半導体構造例えばＳＴＴ−ＲＡＭ、Ｖ−ＮＡＮＤ（登録商標）、ＤＲＡＭ、ＰＣ−ＲＡＭ及びＲｅ−ＲＡＭの計測を、幾何パラメタ及び素材パラメタの計測が必要な際に行うことができる。
【００３７】
図１には、少なくとも１個の新規形態にて試料の特性を計測するＴ−ＳＡＸＳ計量ツール１００の実施形態が描かれている。図１に示すシステム１００を用いることで、試料１０１の検査エリア１０２を照明ビームスポットにより照明し、そのエリア上でＴ−ＳＡＸＳ計測を実行することができる。
【００３８】
図示実施形態における計量ツール１００は、Ｔ−ＳＡＸＳ計測に適するＸ線輻射を生成するよう構成されたＸ線照明源１１０を有している。幾つかの実施形態では、０．０１ｎｍ〜１ｎｍの波長を生成するようそのＸ線照明システム１１０が構成される。大略、高スループットインライン計量を実現するのに十分な光束レベルで高輝度Ｘ線を生成しうる好適な高輝度Ｘ線照明源は全て、Ｔ−ＳＡＸＳ計測用Ｘ線照明の供給用に想定することができる。幾つかの実施形態におけるＸ線源は可調モノクロメータを有するものであり、そのＸ線源から送給するＸ線輻射の波長を幾通りかから選択することができる。
【００３９】
幾つかの実施形態では、デバイス全体及びウェハ基板内を十分に透過可能な波長の光がそのＸ線源により確と供給されるよう、１５ｋｅＶ超の光子エネルギで以て輻射を発する１個又は複数個のＸ線源が採用される。非限定的な例によれば、粒子加速器線源、液体アノード線源、回動アノード線源、静止固体アノード線源、マイクロフォーカス線源、マイクロフォーカス回動アノード線源、プラズマ式線源及び逆コンプトン線源のいずれもＸ線源１１０として採用されうる。例えば、米国カリフォルニア州パロアルト所在のＬｙｎｃｅａｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．から入手可能な逆コンプトン線源が想定されうる。逆コンプトン線源には、ある光子エネルギ域に亘りＸ線を生成可能であり、自Ｘ線源から送給するＸ線輻射の波長を幾通りかから選択できる、という付加的長所がある。
【００４０】
Ｘ線源の例には、固体又は液体ターゲットを砲撃してＸ線輻射を誘起するよう構成された電子ビーム式線源がある。高輝度液体金属Ｘ線照明生成方法及びシステムがＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ  Ｃｏｒｐ．名義の２０１１年４月１９日付特許文献１に記載されているので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。
【００４１】
Ｘ線照明源１１０によりもたらされるＸ線輻射は、有限な横方向寸法（即ち非ゼロのビーム軸直交方向寸法）を有する照明源エリアに亘っている。集束光学系１１１は、照明源輻射を、試料１０１上に所在する計量ターゲット上へと集束させる。照明源の横方向寸法が有限であるため、ターゲット上には有限サイズのスポット１０２がもたらされ、その拡がりは照明源の縁から来る光線１１７により定まる。幾つかの実施形態では、集束光学系１１１が、楕円形の集束光学素子を有するものとされる。
【００４２】
集束光学系１１１・ビーム整形スリット機構１２０間ビーム路には、ビーム発散制御スリット１１２が所在している。ビーム発散制御スリット１１２は、計測下試料に供給される照明の発散を制限する。ビーム発散制御スリット１１２・ビーム整形スリット機構１２０間ビーム路には、付加的な中間スリット１１３が所在している。中間スリット１１３は、更なるビーム整形を施す。とはいえ、概して中間スリット１１３はオプション的である。
【００４３】
試料１０１直前のビーム路にはビーム整形スリット機構１２０が所在している。ある態様では、ビーム整形スリット機構１２０のスリットが試料１０１に至近配置され、それにより、ビーム発散の拡がりが有限な光源サイズにより定まることによる入射ビームスポットサイズの拡大が最小化される。例えば、Ｘ線源サイズが１０μｍ、ビーム整形スリット・試料１０１間距離が２５ｍｍである場合に、光源サイズが有限であることで生じる影によるビームスポットサイズの拡がりが約１μｍとなる。他の諸例では、試料１０１から１００ｍｍ未満のところにビーム整形スリットが配置され、それによりビーム発散が制御される。
【００４４】
幾つかの実施形態では、ビーム整形スリット機構１２０が、複数個の独立駆動型ビーム整形スリットを有するものとされる。一実施形態に係るビーム整形スリット機構１２０は、４個の独立駆動型ビーム整形スリットを有するものである。それら４個のビーム整形スリットは、入来ビーム１１５の一部分を効果的に阻止して、箱形照明断面を有する照明ビーム１１６を生成する。
【００４５】
図２及び図３には、図１に記したビーム整形スリット機構１２０が採る二通りの相異なる形態の端面外観が記されている。図２及び図３の描写ではビーム軸が紙面に対し垂直とされている。図２に記した入来ビーム１１５は大きな断面を有している。幾つかの実施形態では入来ビーム１１５の直径が約１ｍｍとされる。更に、入来ビーム１１５のビーム整形スリット１２６〜１２９内位置には、ビーム指向誤差による約３ｍｍの不確定性がある。入来ビームのサイズ及びそのビーム位置不確定性を容れるため、各スリットの長さＬが約６ｍｍとされている。図２に記した通り、各スリットはビーム軸に対し垂直な方向に動かすことができる。図２の描写では、スリット１２６〜１２９がビーム軸から最大距離のところに所在している（即ちスリットが全開でありビーム整形スリット機構１２０内光通過を制限していない）。
【００４６】
図３に記したビーム整形スリット機構１２０のスリット１２６〜１２９は入来ビーム１１５の一部分を阻止する位置にあり、そのため、計測下試料に送給される出退ビーム１１６が小サイズ且つ明確形状なものとなっている。図３に記した通り、各スリット１２６〜１２９は、所望の出退ビーム形状を達成すべくビーム軸に向かい内方に動かされている。
【００４７】
スリット１２６〜１２９は、散乱を抑え入射輻射を効果的に阻止する素材で構成されている。素材例には単結晶素材、例えばゲルマニウム、ヒ化ガリウム、燐化インジウム等々がある。通常は、構造境界越しの散乱を最小化させるため、スリット素材を鋸断するのではなく結晶学的方位に沿って開裂させる。加えて、入来輻射・スリット素材内部構造間の相互作用による散乱の量が最小になるよう、そのスリットの向きを入来ビームを基準として定める。それら結晶は、そのスリットの一辺上でのＸ線ビームの阻止を無欠なものにすべく、高密度素材（例．タングステン）製のスリットホルダそれぞれに取り付ける。幾つかの実施形態では、各スリットが、幅が約０．５ｍｍ、高さが約１〜２ｍｍの長方形断面を有するものとされる。図２に記したスリットの長さＬは約６ｍｍである。
【００４８】
大略、Ｘ線光学系はＸ線輻射を整形して試料１０１へと差し向ける。幾つかの例に係るＸ線光学系は、試料１０１上に入射するＸ線ビームを単色化するＸ線モノクロメータを有する。幾つかの例に係るＸ線光学系は、そのＸ線ビームを平行化し又は集束させて試料１０１の計測エリア１０２上に届け、多層Ｘ線光学系を用い１ｍｒａｄ未満の発散に至らせる。こうした例ではその多層Ｘ線光学系がビームモノクロメータとしても機能する。幾つかの実施形態に係るＸ線光学系は、１個又は複数個のＸ線平行化鏡、Ｘ線アパーチャ、Ｘ線ビーム絞り、屈折性Ｘ線光学系、回折光学系例えばゾーンプレート、モンテル光学系、鏡面Ｘ線光学系例えばかすめ入射楕円体鏡、ポリキャピラリ光学系例えば中空キャピラリＸ線導波路、多層光学系又はシステム或いはそれらの何らかの組合せを有する。更なる詳細が特許文献７に記載されているので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。
【００４９】
Ｘ線検出器１１９は、試料１０１で散乱されたＸ線輻射１１４を集めた上で、試料１０１の特性のうち入射Ｘ線輻射に対し感応的な特性を示す出力信号１３５を、Ｔ−ＳＡＸＳ計測方式に従い生成する。幾つかの実施形態では、散乱Ｘ線１１４をＸ線検出器１１９により集める際に、試料位置決めシステム１４０により試料１０１を位置決め及び方向決めすることで、角度分解されたＸ線を発生させる。
【００５０】
幾つかの実施形態に係るＴ−ＳＡＸＳシステムは、広いダイナミックレンジ（例．１０５超）を呈する１個又は複数個の光子計数型検出器を有する。幾つかの実施形態では、単一の光子計数型検出器により、検出された光子の位置及び個数が検出される。
【００５１】
更なる態様では、Ｔ−ＳＡＸＳシステムを利用し、散乱光の一通り又は複数通りの回折次数に基づき試料の特性（例．構造パラメタ値）が求められる。図１に記した計量ツール１００に備わる情報処理システム１３０を利用することで、検出器１１９により生成された信号１３５を獲得し、獲得した信号に少なくとも部分的に基づき試料の特性を求めることができる。
【００５２】
幾つかの例では、Ｔ−ＳＡＸＳ依拠計量に際し、所定の計測モデルを計測データで以て逆解することで標本の寸法が求められる。その計測モデルは、少数（例．１０個オーダ）の可調パラメタを含み、試料の幾何特性及び光学特性と、計測システムの光学特性とを、表すものである。逆解の方法には、これに限られるものではないがモデル依拠回帰、トモグラフィ、機械学習並びにそれらのあらゆる組合せがある。このように、計測された散乱Ｘ線強度とモデル化結果との間の誤差が最小になるパラメタ化計測モデル値に関し解くことで、ターゲットプロファイルパラメタが推定される。
【００５３】
望ましくは、広い入射角域及びアジマス角域にて計測を実行し、パラメタ値計測結果の精度及び正確度を向上させる。この手法では、分析に利用可能なデータセットの個数及び多様性を増大させて様々な大角度の面外れ姿勢を含めることで、パラメタ間相関が低減される。例えば、垂直姿勢では、Ｔ−ＳＡＸＳによりフィーチャの限界寸法を解明することができるが、フィーチャの側壁角及び高さに対してはほとんど不感となる。しかしながら、計測データを広範囲の面外れ角度姿勢に亘り収集することで、フィーチャの側壁角及び高さを解明することができる。他の諸例では、広い入射角域及びアジマス角域にて計測を実行することで、その全深度に亘り高アスペクト比構造を解明するのに十分な分解能及び浸透深さが実現される。
【００５４】
回折輻射の強度計測結果は、ウェハ表面法線に対するＸ線入射角の関数として収集される。それら複数通りの回折次数に含まれる情報は、通常、個々の考慮下モデルパラメタ間でユニークである。従って、Ｘ線散乱により注目パラメタの値に関しもたらされる推定結果は、誤差が小さくパラメタ相関が少ないものとなる。
【００５５】
半導体ウェハ１０１の表面法線に対する照明Ｘ線ビーム１１６の個々の向きは、Ｘ線照明ビームに対するウェハ１０１の任意な二通りの角度回動により記述されるものであり、またその逆も成り立つ。一例としては、その向きを、ウェハに対し固定された座標系を基準にして記述することができる。図４には、入射角θ及びアジマス角φにより記述される特定の向きにてウェハ１０１上に入射するＸ線照明ビーム１１６が記されている。座標系ＸＹＺは計量システム（例．照明ビーム１１６）に対し固定されており、座標系Ｘ’Ｙ’Ｚ’はウェハ１０１に対し固定されている。Ｙ軸はウェハ１０１の表面に対し面内整列している。Ｘ及びＺはウェハ１０１の表面に対し整列していない。Ｚ’はウェハ１０１の表面に対し垂直な軸と整列しており、Ｘ’及びＹ’はウェハ１０１の表面に対し整列した平面内にある。図４に記したＸ線照明ビーム１１６はＺ軸に対し整列しており、従ってＸＺ平面に内在している。入射角θは、ウェハの表面法線を基準としたＸ線照明ビーム１１６の向きをＸＺ平面にて記述している。更に、アジマス角φはＸ’Ｚ’平面を基準としたＸＺ平面の向きを記述している。θ及びφが相俟ち、ウェハ１０１の表面を基準としたＸ線照明ビーム１１６の向きがユニークに特定される。この例では、ウェハ１０１の表面を基準としたＸ線照明ビームの向きが、ウェハ１０１の表面に対し垂直な軸（即ちＺ’軸）周りでの回動と、ウェハ１０１の表面に対し整列している軸（即ちＹ軸）周りでの回動とにより、記述されている。幾つかの他例では、ウェハ１０１の表面を基準としたＸ線照明ビームの向きが、ウェハ１０１の表面に対し整列している第１軸周りでの回動と、その第１軸に対し垂直でウェハ１０１の表面に対し整列している別の軸周りでの回動とにより、記述される。
【００５６】
ある態様では、ＴＳＡＸＳ計測システムにて硬Ｘ線照明（例．１５ｋｅＶ以上）が比較的短い光路長（例．照明源から検出器まで３ｍ未満）に亘り利用され、それにより比較的小さな寸法（例．約５０ｎｍ）から比較的大きな寸法（例．最大１０μｍ）に及ぶターゲットが計測される。大略、本願記載の方法及びシステムにより、半導体構造の計量に相応しいＱ空間分解能を短縮された光路長で以て実現することができる。
【００５７】
ＴＳＡＸＳシステムの最小達成可能分解能についての幾何学的限界は、しばしば最小Ｑ値Ｑｍｉｎにより特徴付けられる。Ｑｍｉｎは等式（１）により表されるものであり、式中のｐは検出器における画素サイズ、Ｄは計測下標本・検出器間の距離、λはＸ線輻射の波長である。
【数１】
2020516900.tif 000003
【００５８】
等式（１）により描出された通り、計測下標本・検出器間距離Ｄが小さくなると所与画素サイズに係る最小達成可能Ｑ値が高くなる。Ｄの値を小さくしつつＱ分解能を維持する（即ちＱｍｉｎを小値のままにする）には、画素サイズの比例的縮小が必要になる。最先進半導体計量ターゲットの計量には、ＴＳＡＸＳシステムのＱ値が０．０１ｎｍ−１未満であることが必要だが、画素サイズにより制限される営利的ＴＳＡＸＳシステムでは、今のところ達成されていない。
【００５９】
Ｑ分解能についての幾何学的限界を等式（１）に記したが、Ｑ分解能に対する制限は他にもあり、それらを抑圧しないとその幾何学的限界には到達し得ない。例えば、検出器における光学焦点の空間的拡がりで達成可能Ｑ分解能が制限される。また例えば、検出器における光学システムの点拡がり関数（ＰＳＦ）で達成可能Ｑ分解能が制限される。
【００６０】
更なる態様では、本願記載のＴＳＡＸＳ計測に際し、ウェハ表面より前２００ｍｍ未満のところ、計測ターゲット、検出器表面、或いはウェハ表面・検出器表面間のいずれかの個所に集束するＸ線ビームで以て標本が照明され、それにより達成可能Ｑ分解能に対する光学焦点性制限が軽減される。大略、Ｘ線ビームをウェハ表面寄りに集束させることが、比較的小さなターゲットが関わっていて極力小さな照明スポットサイズで以てそれらを照明しなければならない計量アプリケーションには相応しい。更に、Ｘ線ビームを検出器寄りに集束させることが、比較的大きなターゲットが関わっていて高い画像分解能及び光子束が望まれる計量アプリケーションには相応しい。
【００６１】
幾つかの実施形態では、図１に描いた通り、ＴＳＡＸＳ計測システムの焦点をウェハ表面又はその付近に所在させて、比較的小さなターゲット（例．約５０〜１００ｎｍ）の計測に供する。照明焦点をウェハに所在させることで、計測スポットサイズが計測下構造にて最小となる。これにより、注目ターゲット周辺の構造上への照明光の漏れによる信号汚染が最少化される。この構成が望ましいのは小型ターゲットの場合、即ち有限な計測スポットサイズによる信号汚染が制約となる場合である。しかしながら、照明焦点を検出器ではなくウェハに所在させることで、検出器上での入射ビームサイズに増大が生じる。これは、入射ビームの回折部分がビーム発散により重なり合う蓋然性を増大させる。これが激しくなるのはウェハ・検出器間距離が比較的小さな寸法（例．１ｍ未満）へと縮められたときであり、なぜならウェハ・検出器間距離が縮まるにつれ角度次数間の空間分離が小さくなるからである。とはいえ、小型ターゲット（例．１００ｎｍ未満）であれば回折次数間角度分離が比較的大きく、本願記載の検出器分解能増強技術により、検出器焦点性制限による制限が克服される。
【００６２】
他の諸実施形態では、図５に描いた通り、そのＴＳＡＸＳ計測システムの焦点を検出器表面又はその付近に所在させて、比較的大きなターゲット（例．約１〜１０μｍ）の計測に供する。照明焦点を検出器に所在させることで、計測スポットサイズは、計測下ターゲットではなくその検出器にて最小となる。この構成が望ましいのは比較的大型のターゲットの場合、即ち注目ターゲット周辺の構造上への照明光の漏れによる信号汚染のリスクが少ないためウェハでの有限な計測スポットサイズによる信号汚染が制約とならない場合である。しかしながら、大型ターゲットでは回折次数間角度分離が比較的小さくなる。従って、検出器における角度次数の空間分離が比較的小さくなる。これが激しくなるのは、ウェハ・検出器間距離が比較的小さな寸法（例．１ｍ未満）へと縮められたときである。照明焦点を検出器に所在させることで、焦点性制限により入射ビームの回折部分が重なり合う蓋然性が最小化される。更に、ターゲットサイズが比較的大きい場合に検出器における次数の空間分離が比較的小さくなることによる制限が、本願記載の検出器分解能増強技術により克服される。
【００６３】
大略、光学焦点の位置は、上述した長所／短所の付随的トレードオフを伴いつつ、計測下標本・検出器間の任意の位置に調整することができる。大略、ターゲットサイズが小さいほど、光学焦点をウェハ寄り即ちウェハの面前に動かすことが望ましく、ターゲットサイズが大きいほど、光学焦点を検出器寄りに動かすことが望ましい。
【００６４】
更なる態様では、本願記載のＴＳＡＸＳ計測に際し、小さなＰＳＦを有する高分解能検出器により、達成可能Ｑ分解能に対する検出器ＰＳＦ性制限が軽減される。光学焦点がウェハ及び検出器に比しどこにあっても、ウェハ対検出器距離Ｄが比較的小さな値（例．１ｍ未満）に縮まっているときには高分解能検出器が役立つ。
【００６５】
システムのＰＳＦにより課されるＱ分解能制限は、計量の条件及びそのＰＳＦの源泉により左右される。例えば弱散乱の場合、ＰＳＦを所与Ｑにて１０％まで低下させることが、そのＱを分解するのに必要となりうる。他の諸例では、ＰＳＦを所与Ｑにて１％まで低下させることが、そのＱを分解するのに必要となりうる。高いＱ分解能及び極力小さなウェハ対検出器距離Ｄを実現するため、本ＴＳＡＸＳシステムは、Ｑ独立なＰＳＦが最小化されるように設計される。幾つかの例では、検出器の画素サイズを１００μｍ未満とし、検出器ＰＳＦをその画素サイズより小さくすることで、個別画素に入射した回折光による隣接画素の汚染が０．１％未満とされる。
【００６６】
検出器素材は、透過が最少になるよう選択される。更に、検出器の構成次第で、検出器におけるＰＳＦ拡張が最小化される。結果として、システムＰＳＦが検出器位置から独立になる。例えば、従前のシリコン式検出器による硬Ｘ線（例．１５ｋｅＶ以上）の検出には、顕著なＱ独立ＰＳＦなる問題がある。結果として、半導体構造の計量を実行するのに、大きなウェハ対検出器距離Ｄ（例．２ｍ以上）が必要となっている。透過及び後方散乱を減らすことで、等式（１）により記述される幾何学的限界未満までＰＳＦ性制限が抑圧され、１ｍ未満のウェハ対検出器距離Ｄ（例．６００ｍｍ以下のＤ）による半導体構造の計量が実現される。
【００６７】
幾つかの実施形態に係るＴＳＡＸＳシステムは、高い量子効率及び広いダイナミックレンジ（例．１０５超）を呈する１個又は複数個の光子計数型検出器であり、損傷なく且つ最少限の寄生後方散乱で以て入射輻射を吸収する厚手（例．５００μｍ超厚）の高吸収性結晶基板を有するものが、設けられる。幾つかの実施形態では、単一の光子計数型検出器により、検出された光子の位置及び個数が検出される。
【００６８】
幾つかの実施形態では、０次ビームがより高い回折次数と共に集められる。０次ビームは他次数に比べ数桁強い振幅を有している。０次ビームが検出器のＸ線感知セクションにて完全吸収されない場合、それが散乱して寄生信号を発生させることとなろう。それら寄生信号の強度により計測のダイナミックレンジが制限される。例えば、寄生信号が最大光束信号（即ち０次信号）の１０−４倍である場合、多くのより高い次数に係る信号が汚染されよう。従って、その検出器（例．検出器１１９）が、Ｘ線から電子正孔対への高い変換効率並びに高いＸ線吸収率を呈することが、Ｘ線計量の有効ダイナミックレンジを広げる上で肝要である。
【００６９】
小フットプリントＸ線スキャタロメトリに適する検出器素材の例には、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）及びヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）の結晶その他がある。幾つかの実施形態では、線源エネルギに対応する狭いエネルギ帯にて高い変換効率がもたらされるよう、検出器素材が選択される。
【００７０】
幾つかの実施形態では、所望の入来Ｘ線吸収が達成されるよう、検出器素材の厚みが選定される。幾つかの実施形態では、入来Ｘ線ビーム（様々な回折次数）に対し検出器を傾斜させることで、その検出器素材内でのＸ線ビームの光路長を増やし、ひいては総吸収量を増大させる。
【００７１】
幾つかの実施形態では、デュアルしきい値検出器を採用することでＳＮＲが改善される。
【００７２】
更なる態様では、ＴＳＡＸＳシステムを利用し、複数通りの回折次数計測結果に基づき試料の特性（例．構造パラメタ値）が求められる。図１に記した計量ツール１００に備わる情報処理システム１３０を利用することで、検出器１１９により生成された信号１３５を獲得し、獲得した信号に少なくとも部分的に基づき試料の特性を求めることができる。
【００７３】
ＴＳＡＸＳ計測では、高アスペクト比で製造された構造により平行化Ｘ線ビームが回折されて諸回折次数となる。各回折次数は、予測可能な特定の方向に進行する。それら回折次数の角度間隔は、試料の格子定数を波長で除したものに反比例する。それら回折次数は、ウェハから幾ばくかの距離のところに配置された検出器アレイにより検出される。その検出器の各画素が、その画素に射突する光子の個数を示す信号を出力する。
【００７４】
回折次数の強度は形式Ｉ（ｍ，ｎ，θ，φ，λ）をなしており、この形式中の｛ｍ，ｎ｝は回折次数の整数指数、｛θ，φ｝は入射ビームの仰角及びアジマス角（即ちウェハに固定された座標系に対する入射主光線の極座標値）、λは入射Ｘ線の波長である。
【００７５】
照明光は、照明源から出て試料へと伝搬する際に、幾つかのノイズ源により擾乱される。擾乱の例には電子ビーム流ふらつき、温度誘起性光学系ドリフト等々がある。擾乱された入射光束はＦ０（１＋ｎ１）と表される。
【００７６】
ターゲットは、入射ビームのアジマス角及び仰角に依存する形態にて入射輻射を散乱させる。次数（ｍ，ｎ）に至る光散乱の効率はＳｍｎ（θ，φ）と定義することができる。回折光が試料から検出器へと伝搬する際にそのビームが通過する他の散乱媒質にて、全ての次数が同様の影響を受けて、幾ばくかのばらつき（１＋ｎ２）及び寄生ノイズ（ｎ３）が付加される。このように、時刻ｔにて計測された各次数の総強度Ｉｍｎを、等式（２）により表すことができる。
【数２】
2020516900.tif 000004
【００７７】
図６には、計量システム例えば計量システム１００により計測された散乱次数の像１７１が記されている。図６に描いた像の中心にある輝点は０次ビームに関連している。
【００７８】
各次数の強度は多様なやり方で抽出することができる。幾つかの実施形態では、それら回折次数が検出器にて空間分離を呈する。そうした実施形態では、それら回折次数が検出器アレイにより個別検出され、同じ回折次数に係る画素の出力が結合（即ち加算）される。この形態では、検出された回折次数が、個別の回折次数それぞれに係る画素の光子計数値を積算することで弁別される。このシナリオは、比較的小さなピッチのフィーチャを計測する際や比較的小さな発散を呈するビームを計測する際に生じやすい。
【００７９】
他の幾つかの実施形態では回折次数が空間的に重なり合う。これが典型的となるのは、比較的大きなターゲット（例．１μｍ以上のピッチを有するターゲット）に対するＴＳＡＸＳ計量を比較的小さなウェハ対検出器距離Ｄ（例．２ｍ未満のＤ）で以て実行する際や、比較的大きな発散を呈するビームで以て計測する際である。こうした実施形態では、それら回折次数がＱ空間にて分離され、それにより注目構造パラメタの値が推定される。これらの実施形態のうちあるものでは、利用可能なビーム形状情報に基づきその回折次数の形状が推定され、正確なビームモデルを利用して重なりによるＱ分解能低下が算入される。これは、オンデバイス計量の条件に合致させる上でひときわ重要である。幾つかの既存計量システムでは、それら回折次数の形状を推定するのに必要なビーム形状情報へのアクセスが、そのシステムで採用されているビーム絞りにより妨げられるため、重なり合う次数の分離を実行することができない。そうしたシステムが「Ｘ線スキャタロメトリ装置」(X-ray scatterometry apparatus)と題するＭａｚｏｒ，  ｅｔ  ａｌ．名義の特許文献６に記載されているので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。
【００８０】
検出器にて回折次数が空間的に重なり合っている場合、画素出力を単純に組み合わせても、個別の回折次数に係る強度を求めることができない。そうした実施形態では、それら回折次数をデコンボリューションする計測モデルを利用することで、検出された回折次数それぞれの計測強度が弁別される。
【００８１】
幾つかの実施形態では、重なり合う次数が、０次ビーム形状計測結果に基づきデコンボリューションされる。幾つかの実施形態では、このデコンボリューションがリアルタイム実行される。より高い回折次数（即ち０超の次数）のビームプロファイルが、その０次ビームのプロファイルに基づきモデル化される。図７には、計量システム例えば計量システム１００により計測された散乱次数の像１７２が記されている。図８には、図７に記した像１７２の断面Ｃに係る強度プロファイルのプロット１７３が記されている。比較的高強度な０次ビームにより非常に正確なビームプロファイルが提供されるため、それを用いより高い回折次数をモデル化することができる。
【００８２】
幾つかの実施形態では、より高い回折次数それぞれの強度が、強度の単純除算その他により、０次ビーム計測結果を基準として推定される。このようにすると、比較的弱くより高次な信号に係る計測不確定性が顕著に低減される。
【００８３】
同時計測された０次ビームに基づき、より高い回折次数の強度を推定することで、データ収集中のシステム擾乱から散乱信号が分離される。光学部材（例．スリット、光学系、スポット整形）の誤整列による擾乱、並びにビーム路沿いでの擾乱（例．ｎ１及びｎ２）が、リアルタイムに軽減される。０次を含め全ての散乱強度を用いることで、計測された試料の厚み又は素材密度に対する散乱強度の依存性が、ウェハ前後での光束擾乱から分離される。
【００８４】
検出器の結晶内における高エネルギ光子の電子雲への物理変換も、高ｑ分解能短光路長ＴＳＡＸＳシステムに対し検出制限を課している。その画素サイズが十分に小さくて半導体構造の短光路長ＴＳＡＸＳ計量を実行しうる場合、その電子雲の働きで単一光子事象が数個の画素に亘り検出される。
【００８５】
他の態様では、光子変換事象により誘発された電子雲の重心の位置が検出器（例．検出器１１９）により算出される。重心の位置により入射光子の位置がサブ画素正確度で以てもたらされる。これにより画素サイズが実質的に縮小されるので、等式（１）により記述されている幾何学的限界を上回るＱ分解能を実現することができる。本願記載のサブ画素空間補間は、１ｍ未満のウェハ対検出器距離での半導体構造のＴＳＡＸＳ計測向けに望ましい。
【００８６】
幾つかの実施形態では、比較的短い光路長を有するＴＳＡＸＳシステムが、鉛直配置された（即ちウェハ表面に対する法線が重力ベクトルに対しほぼ垂直な）ウェハ上に入射する水平方向光路付で形成される。他方、幾つかの他実施形態では、比較的短い光路長を有するＴＳＡＸＳシステムが、水平配置された（即ちウェハ表面に対する法線が重力ベクトルに対しほぼ平行な）ウェハ上に入射する鉛直方向光路付で形成される。ビームラインの向きを鉛直にすることで、より小さなツールフットプリントを達成してウェハハンドリングを単純化することができる。
【００８７】
更なる態様では、Ｘ線検出器により一通り又は複数通りのＸ線光子エネルギが分解され、その試料の特性を示すＸ線エネルギ成分毎の信号がもたらされる。幾つかの実施形態では、そのＸ線検出器１１９に、ＣＣＤアレイ、マイクロチャネルプレート、フォトダイオードアレイ、マイクロストリップ型比例計数器、ガス充填式比例計数管、シンチレータ及び蛍光素材のうちいずれかが備わる。
【００８８】
このようにすると、その検出器におけるＸ線光子相互作用が、画素位置及び計数値に加えエネルギにより弁別される。幾つかの実施形態では、それらＸ線光子相互作用が、そのＸ線光子相互作用のエネルギを所定の上しきい値及び所定の下しきい値と比較することで弁別される。ある実施形態では、この情報が出力信号１３５により情報処理システム１３０に送られて更なる処理及び格納に供される。
【００８９】
幾つかの実施形態では、計測下ターゲットが１個の次元に沿い周期的なものとされる（例．ＦｉｎＦＥＴ構造）。そのため、検出器におけるＴＳＡＸＳシステムのＰＳＦを一方向に沿い最小化するだけでよい。他方、幾つかの他実施形態では、計測下ターゲットが２個の次元に沿い周期的なものとされる（例．ＶＮＡＮＤ（商標）のコンタクト）。そうした実施形態では、検出器におけるＴＳＡＸＳシステムのＰＳＦを両方向に沿い最小化させることが役立つ。
【００９０】
他態様に係るＴＳＡＸＳシステムは、ある方向にて空間分離される次数、しかしそれと直交する方向では重なり合う次数に基づきターゲットを計測するよう構成される。こうした実施形態のうちあるものでは、１個又は複数個の注目パラメタの値が、それら回折次数が空間分離される方向に沿い求められる。以後はそれらのパラメタ値が採用され、重なり合う次数に基づき１個又は複数個の注目パラメタの値が求められる。
【００９１】
幾つかの実施形態では、Ｘ線照明源１１０、集束光学系１１１、スリット１１２及び１１３又はそれらの何らかの組合せが、試料１０１のそれと同じ雰囲気環境（例．ガスパージ環境）内に保持される。しかしながら、幾つかの実施形態では、それら構成要素間の光路及びいずれかの構成要素内の光路が長くなり、気中Ｘ線散乱が検出器上の像に対しノイズを及ぼす。そのため、幾つかの実施形態では、Ｘ線照明源１１０、集束光学系１１１、並びにスリット１１２及び１１３のうちいずれかが、真空窓によって試料（例．試料１０１）から相互分離された局所的真空環境内に保持される。
【００９２】
同様に、幾つかの実施形態では、Ｘ線検出器１１９が試料１０１のそれと同じ雰囲気環境（例．ガスパージ環境）内に保持される。しかしながら、幾つかの実施形態では、試料１０１・Ｘ線検出器１１９間距離が長々しくなり、気中Ｘ線散乱が被検出信号に対しノイズを及ぼす。そのため、幾つかの実施形態では、そのＸ線検出器のうち１個又は複数個（例．検出器１１９）が、真空窓により試料（例．試料１０１）から分離された局所的真空環境内に保持される。
【００９３】
図９は、Ｘ線照明源１１０が収容された真空チャンバ１６０、集束光学系１１１が収容された真空チャンバ１６２、並びにスリット１１２及び１１３が収容された真空チャンバ１６３を描いた図である。各真空チャンバの開口は真空窓で覆われている。例えば、真空チャンバ１６０の開口は真空窓１６１で覆われている。同様に、真空チャンバ１６３の開口は真空窓１６４で覆われている。それら真空窓は、Ｘ線輻射に対し実質的に透明で好適な何らかの素材（例．カプトン（登録商標）、ベリリウム等々）で構成すればよい。各真空チャンバ内を好適な真空環境に保つことで、照明ビームの散乱が最小化される。好適な真空環境には、あらゆる好適レベルの真空、小原子番号気体（例．ヘリウム）が入っているあらゆる好適パージ環境、或いはそれらのあらゆる組合せが含まれうる。このようにすると、ビーム路の極力多くが真空中に所在するので、光束が最大化され散乱が最小化される。
【００９４】
幾つかの実施形態では、試料１０１を含め光学システム全体が真空中で保持される。但し、一般に、試料位置決めシステム１４０の構成が複雑になることが原因で、試料１０１の真空中保持に関わるコストが高くなる。
【００９５】
他の更なる態様では、ビーム整形スリット機構１２０が真空チャンバ１６３と機械的に一体化され、それにより雰囲気環境曝露ビーム路長が最短化される。大略、望ましいのは、試料１０１への入射前は極力多くのビームを真空中に封じておくことである。幾つかの実施形態では、ビーム整形スリット機構１２０の入口にある中空円筒状空洞内へと真空ビームラインが延ばされる。ビーム整形スリット機構１２０内真空チャンバ１６３の出口に真空窓１６４を所在させることで、入来ビーム１１５がビーム整形スリット機構１２０の一部分にて真空中に保たれ、その上で真空窓１６４を通って、スリット１２６〜１２９及び試料１０１のうちいずれかと相互作用するようにする。
【００９６】
図１に記した実施形態では、集束光学系１１１、スリット１１２及び１１３並びにビーム整形スリット機構１２０が、飛行管１１８内の被制御環境（例．真空）内で保持されている。
【００９７】
他の更なる態様では、試料の被計測構造の構造モデル（例．幾何モデル、素材モデル又は幾何素材複合モデル）を生成し、その構造モデルに由来する少なくとも１個の幾何パラメタを含むＴＳＡＸＳ応答モデルを生成し、そしてそのＴＳＡＸＳ応答モデルで以てＴＳＡＸＳ計測データの当てはめ分析を実行することで少なくとも１個の試料パラメタ値を解明するよう、情報処理システム１３０が構成される。この分析エンジンを用いその模擬ＴＳＡＸＳ信号を計測データと比較することで、その標本の幾何特性及び素材特性例えば電子密度の判別を行うことができる。図１に記した実施形態では情報処理システム１３０がモデル構築兼分析エンジンとして構成されており、本願記載の如くモデル構築及び分析機能が実現されるようそのエンジンが構成されている。
【００９８】
図１０は、情報処理システム１３０により体現されるモデル構築兼分析エンジンの例１５０を描いた図である。図１０に記したモデル構築兼分析エンジン１５０は、試料の被計測構造の構造モデル１５２を生成する構造モデル構築モジュール１５１を有している。幾つかの実施形態では構造モデル１５２にその試料の素材特性も組み込まれる。その構造モデル１５２はＴＳＡＸＳ応答関数構築モジュール１５３への入力として受け取られる。ＴＳＡＸＳ応答関数構築モジュール１５３は、その構造モデル１５２に少なくとも部分的に依拠してＴＳＡＸＳ応答関数モデル１５５を生成する。幾つかの例におけるＴＳＡＸＳ応答関数モデル１５５はＸ線フォームファクタ
【数３】
2020516900.tif 000005
に基づくものであり、この式中のＦはフォームファクタ、ｑは散乱ベクトル、そしてρ（ｒ）は球座標による試料の電子密度である。そして、Ｘ線散乱強度は
【数４】
2020516900.tif 000006
で与えられる。ＴＳＡＸＳ応答関数モデル１５５は当てはめ分析モジュール１５７への入力として受け取られる。当てはめ分析モジュール１５７は、そのモデル化ＴＳＡＸＳ応答をそれに対応する計測データと比較することで、その試料の幾何特性及び素材特性を求める。
【００９９】
幾つかの例では、実験データへのモデル化データの当てはめがχ二乗値を最小化することで達成される。例えば、ＴＳＡＸＳ計測に係るχ二乗値を
【数５】
2020516900.tif 000007
として定義することができる。
【０１００】
式中、ＳｊＳＡＸＳ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔは「チャネル」ｊにて計測されたＴＳＡＸＳ信号１３５であり、その指数ｊは一組のシステムパラメタ、例えば回折次数、エネルギ、角度座標等々を指し示している。ＳｊＳＡＸＳ  ｍｏｄｅｌ（ｖ１，…，ｖＬ）は、「チャネル」ｊに係るモデル化ＴＳＡＸＳ信号Ｓｊを一組の構造（ターゲット）パラメタｖ１，…，ｖＬに関し評価したものであり、それらのパラメタは幾何（ＣＤ、側壁角、オーバレイ等々）及び素材（電子密度等々）を指し示している。σＳＡＸＳ，ｊは第ｊチャネルに係る不確定性である。ＮＳＡＸＳはそのＸ線計量におけるチャネルの総数である。Ｌはその計量ターゲットを特徴付けるパラメタの個数である。
【０１０１】
等式（５）では、別々のチャネルに係る不確定性が相関しないことが仮定されている。別々のチャネルに係る不確定性が相関する例では、それら不確定性間の共分散を計算することができる。こうした例では、Ｘ線スキャタロメトリ計測に係るχ二乗値を
【数６】
2020516900.tif 000008
と表すことができる。
【０１０２】
式中、ＶＳＡＸＳはＳＡＸＳチャネル不確定性の共分散行列であり、Ｔはその転置を表している。
【０１０３】
幾つかの例では、当てはめ分析モジュール１５７により、ＴＳＡＸＳ応答モデル１５５で以てＴＳＡＸＳ計測データ１３５に対する当てはめ分析が実行され、それにより少なくとも１個の試料パラメタ値が解明される。幾つかの例ではχＳＡＸＳ２が最適化される。
【０１０４】
前述の通り、ＴＳＡＸＳデータの当てはめはχ二乗値の最小化により達成される。とはいえ、一般に、ＴＳＡＸＳデータの当てはめは他の関数でも達成されうる。
【０１０５】
ＴＳＡＸＳデータの当てはめは、注目幾何及び／又は素材パラメタに対し有感ならどの種類のＴＳＡＸＳテクノロジでも役立つ。試料パラメタは、試料とのＴＳＡＸＳビーム相互作用を記述する適正なモデルが用いられる限り、決定論的なもの（例．ＣＤ、ＳＷＡ等々）とも統計的なもの（例．ｒｍｓ側壁高粗さ、粗さ相関長等々）ともすることができる。
【０１０６】
大略、情報処理システム１３０は、リアルタイム限界寸法決め（ＲＴＣＤ）を利用しモデルパラメタにリアルタイムアクセスするよう構成されるが、事前算出モデルのライブラリにアクセスして試料１０１に係る少なくとも１個の試料パラメタ値を求めるのでもよい。一般に、ある種の形態のＣＤエンジンを用いることで、試料に割り当てられているＣＤパラメタと、計測された試料に係るＣＤパラメタとの間の差異を、評価することができる。試料パラメタ値算出方法及びシステムの例がＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ  Ｃｏｒｐ．名義の２０１０年１１月２日付特許文献８に記載されているので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。
【０１０７】
幾つかの例では、モデル構築兼分析エンジン１５０にて、フィードサイドウェイ分析、フィードフォワード分析及びパラレル分析の何らかの組合せによりパラメタ計測結果の正確性が改善される。フィードサイドウェイ分析とは、同じ試料の別エリア上で複数個のデータセットを採取し、第１データセットから求めた共通パラメタを第２データセット側に引き渡して分析に供することである。フィードフォワード分析とは、別々の試料上でデータセットを採取し、ステップ的コピーイグザクトパラメタフィードフォワード手法を用い爾後の分析に共通パラメタを先渡しすることである。パラレル分析とは、複数個のデータセットに対する非線形当てはめ方法論の並列的又は同時的適用であり、当てはめ中に少なくとも１個の共通パラメタが結合されるもののことである。
【０１０８】
複数ツール兼構造分析とは、回帰、ルックアップテーブル（即ち「ライブラリ」マッチング）又は他の複数データセット当てはめ手順に依拠するフィードフォワード、フィードサイドウェイ又はパラレル分析のことである。複数ツール兼構造分析方法及びシステムの例がＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ  Ｃｏｒｐ．名義の２００９年１月１３日付特許文献９に記載されているので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。
【０１０９】
ある更なる態様では、計量ツール１００に備わる情報処理システム（例．情報処理システム１３０）が、本願記載のビーム制御機能が実現されるよう構成される。図１に記した実施形態では、情報処理システム１３０が、例えば入射照明ビーム１１７の強度、発散、スポットサイズ、偏向、スペクトラム及び配置を初め、いずれかの照明特性を制御するよう動作させうるビームコントローラとして、構成されている。
【０１１０】
図１に描いた通り、情報処理システム１３０は検出器１１９に可通信結合されている。情報処理システム１３０は、検出器１１９から計測データ１３５を受領するよう構成されている。一例に係る計測データ１３５は、試料応答の計測結果（即ち諸次回折成分の強度）の指示子を含んでいる。検出器１１９の表面上における応答計測結果の分布に基づき、試料１０１上における照明ビーム１１６の入射位置及びエリアが、情報処理システム１３０により求められる。例えば、パターン認識技術を情報処理システム１３０により適用することで、試料１０１上における照明ビーム１１６の入射位置及びエリアが計測データ１３５に基づき求まる。幾つかの例では、情報処理システム１３０によりコマンド信号１３７が照明源１１０に送られて所望の照明波長が選択される一方、コマンド信号１３６がビーム選択サブシステム１２０に送られて、入射照明ビーム１１６が試料１０１の所望位置に所望角度姿勢にて到達するよう照明ビーム１１６が再方向設定及び再整形される。幾つかの他例では、情報処理システム１３０によりコマンド信号がウェハ位置決めシステム１４０に送られて、入射照明ビーム１１６が試料１０１の所望位置に所望角度姿勢にて到達するよう試料１０１が位置決め及び方向決めされる。
【０１１１】
他の態様では、Ｘ線スキャタロメトリ計測データを用いることで、被計測構造の画像が、検出された回折次数の強度計測結果に基づき生成される。幾つかの実施形態では、包括電子密度メッシュからの散乱を記述すべくＴＳＡＸＳ応答関数モデルが一般化される。計測された信号にこのモデルを整合させつつ、そのメッシュにおけるモデル化電子密度に制約を加え連続性及び疎エッジを強調することで、その標本の三次元画像がもたらされる。
【０１１２】
幾何的でモデルに依拠したパラメトリック逆変換が、ＴＳＡＸＳ計測に依拠した限界寸法（ＣＤ）計量には望ましいけれども、被計測試料がその幾何モデルの仮定事項から逸脱しているときには、それと同じＴＳＡＸＳデータから生成された試料マップが、モデル誤差を識別して補正するのに役立つ。
【０１１３】
幾つかの例では、その画像が、同じスキャタロメトリ計測データについての幾何的でモデルに依拠したパラメトリック逆変換により推定された構造特性と比較される。食い違いを用い被計測構造の幾何モデルを更新し計測性能を改善することができる。正確なパラメトリック計測モデルに対するこの集束能は、集積回路を計測してそれらの製造プロセスを制御、監視及びトラブルシュートする際にひときわ重要である。
【０１１４】
幾つかの例では、その画像が、電子密度、吸光率、複素屈折率又はそれら素材特性の組合せの二次元（２Ｄ）マップとなる。幾つかの例では、その画像が、電子密度、吸光率、複素屈折率又はそれら素材特性の組合せの三次元（３Ｄ）マップとなる。そのマップは比較的少数の物理的制約を用い生成される。幾つかの例では、得られたマップから直に１個又は複数個の注目パラメタ、例えば限界寸法（ＣＤ）、側壁角（ＳＷＡ）、オーバレイ、エッジ配置誤差、ピッチウォーク等々が推定される。幾つかの他例では、モデル依拠ＣＤ計測用に採用されたパラメトリック構造モデルにより見積もられる期待値域外に標本の幾何又は素材が外れている際に、そのマップを用いそのウェハプロセスがデバッグされる。例えば、被計測パラメタに従いそのパラメトリック構造モデルによりその構造の表現物が予測され、その表現物とそのマップとの間の差異を用い、そのパラメトリック構造モデルが更新されてその計測性能が改善される。更なる詳細が特許文献１０に記載されているので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。付加的な詳細が特許文献３に記載されているので、この参照を以てその全容を本願に繰り入れることにする。
【０１１５】
更なる態様では、モデル構築兼分析エンジン１５０を利用し、Ｘ線計測光学計測結合分析モデルが生成される。幾つかの例では、例えば厳密結合波分析（ＲＷＣＡ）に依拠した光学シミュレーションによりマクスウェルの方程式が解かれ、光学信号例えば反射率が様々な偏向、エリプソメトリパラメタ、位相変化等々に関し算出される。
【０１１６】
１個又は複数個の注目パラメタの値が、複数通りの相異なる入射角におけるＸ線回折次数の強度検出結果並びに光学強度検出結果についての結合当てはめ分析であり、結合幾何パラメタ化応答モデルによるものを踏まえて、求められる。光学強度は、図１に記したシステム１００等のＸ線計量システムと機械的に一体化されていてもいなくてもよいが、光学計量ツールによって計測される。更なる詳細が特許文献２及び１１に記載されているので、それら文献それぞれの全容をこの参照を以て本願に繰り入れることにする。
【０１１７】
幾つかの実施形態では、本願記載の如くＸ線スキャタロメトリ計測により特性解明される計量ターゲットが、計測下ウェハのスクライブライン内に配置される。こうした実施形態では、計量ターゲットが、そのスクライブラインの幅内に収まるようサイズ設定される。幾つかの例ではそのスクライブライン幅が８０μｍ未満とされる。幾つかの例ではそのスクライブラインが５０μｍ未満とされる。一般に、半導体製造にて採用されるスクライブラインの幅は縮小傾向にある。
【０１１８】
幾つかの実施形態では、本願記載の如くＸ線スキャタロメトリ計測により特性解明される計量ターゲットが、計測下ウェハの能動ダイエリア内に配置され、機能的集積回路（例．メモリ、イメージセンサ、論理デバイス等々）の一部となる。
【０１１９】
大略、計量ターゲットを特徴付けるアスペクト比は、その計量ターゲットの最大高さ寸法（即ちウェハ表面に対し垂直な方向の寸法）を最大横方向寸法（即ちウェハ表面に対し整列している方向の寸法）により除したものとして定義される。幾つかの実施形態では計測下計量ターゲットのアスペクト比が少なくとも２０とされる。幾つかの実施形態では計量ターゲットのアスペクト比が少なくとも４０とされる。
【０１２０】
図１１Ａ〜図１１Ｃには、順に、本願記載の要領での計測に供された典型的３Ｄ−ＦＬＡＳＨ（登録商標）メモリデバイス１９０の等角外観、上面外観及び断面外観が記されている。メモリデバイス１９０の全高（等価的には深さ）は１〜数μｍの範囲内である。メモリデバイス１９０は垂直製造デバイスである。垂直製造デバイス例えばメモリデバイス１９０は、本質的には、従来のプレーナメモリデバイスを９０°回してビットライン及びセルストリングを鉛直に（ウェハ表面に対し垂直に）向けたものである。十分な記憶容量を提供するため、多数の交番する異種素材層がウェハ上に堆積される。１００ｎｍ以下の最大横方向拡がりを有する構造でそうするには、パターニングプロセスを数μｍの深さまで好適実行することが求められる。結果として、アスペクト比が２５：１又は５０：１になることが珍しくない。
【０１２１】
認識されるべきことに、本件開示の随所に記載の様々なステップを、単一のコンピュータシステム１３０で実行してもよいし、それに代え複数個のコンピュータシステム１３０で実行してもよい。更に、システム１００の諸サブシステム例えば試料位置決めシステム１４０が、本願記載の諸ステップのうち少なくとも一部分を実行するのに適したコンピュータシステムを有していてもよい。従って、上掲の記述は本発明に対する限定事項としてではなく、単なる例証として解されるべきである。更に、当該１個又は複数個の情報処理システム１３０は、本願記載のいずれの方法実施形態のいずれの他ステップ（群）を実行するようにも構成されうる。
【０１２２】
加えて、コンピュータシステム１３０を検出器１１９及び照明光学素子に可通信結合させる要領は、本件技術分野で既知ないずれの要領でもよい。例えば、当該１個又は複数個の情報処理システム１３０を検出器１１９に係る情報処理システムに結合させてもよい。また例えば、コンピュータシステム１３０に結合された単一のコンピュータシステムにより検出器１１９を直に制御してもよい。
【０１２３】
コンピュータシステム１３０を、本システムの諸サブシステム（例．検出器１１９等）からのデータ又は情報を伝送媒体、例えば有線及び／又は無線区間を有するそれにより受領及び／又は獲得するよう、構成してもよい。こう形態では、その伝送媒体を、コンピュータシステム１３０とシステム１００の他サブシステムとの間のデータリンクとして働かせることができる。
【０１２４】
計量システム１００のコンピュータシステム１３０を、他システムからのデータ又は情報（例．計測結果、モデリング入力、モデリング結果等々）を伝送媒体、例えば有線及び／又は無線区間を有するそれにより受領及び／又は獲得するよう、構成してもよい。この形態では、その伝送媒体を、コンピュータシステム１３０と他システム（例．計量システム１００のオンボードメモリ、外部メモリ又は外部システム）との間のデータリンクとして働かせることができる。例えば、データリンクを介し格納媒体（即ちメモリ１３２又は１８０）から計測データ（例．信号１３５）を受け取るよう情報処理システム１３０を構成してもよい。一例としては、検出器１１９により計測された強度を恒久的又は半恒久的記憶デバイス（例．メモリ１３２又は１８０）内に格納させてもよい。この場合、その計測結果をオンボードメモリから、或いは外部メモリシステムからインポートすることができる。更に、コンピュータシステム１３０が伝送媒体を介し他システムにデータを送ってもよい。一例としては、コンピュータシステム１３０により求められた試料パラメタ値１７０を恒久的又は半恒久的記憶デバイス（例．メモリ１８０）内に格納させてもよい。この場合、計測結果を他システムにエキスポートすることができる。
【０１２５】
情報処理システム１３０には、これに限られるものではないが、パーソナルコンピュータシステム、メインフレームコンピュータシステム、ワークステーション、イメージコンピュータ、並列プロセッサその他、本件技術分野で既知なあらゆる装置が包含されうる。一般に、語「情報処理システム」は、記憶媒体から得た命令を実行するプロセッサを１個又は複数個有するデバイス全てが包含されるよう、広く定義することができる。
【０１２６】
方法例えば本願記載のそれを実現するプログラム命令１３４を、伝送媒体例えばワイヤ、ケーブル又は無線伝送リンク上で伝送してもよい。例えば、図１に描いた通り、メモリ１３２に格納されたプログラム命令が、バス１３３を経てプロセッサ１３１へと伝送される。プログラム命令１３４はコンピュータ可読媒体（例．メモリ１３２）に格納される。コンピュータ可読媒体の例としては、リードオンリメモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気ディスク、光ディスク及び磁気テープがある。
【０１２７】
幾つかの実施形態では、本願記載のスキャタロメトリ分析が製造プロセスツールの一部分として実現される。製造プロセスツールの例としては、これに限られるものではないが、リソグラフィック露出ツール、成膜ツール、インプラントツール及びエッチングツールがある。この形態では、ＴＳＡＸＳ分析の結果を用い製造プロセスが制御される。ある例では、１個又は複数個のターゲットから収集されたＴＳＡＸＳ計測データが製造プロセスツールへと送られる。そのＴＳＡＸＳ計測データが本願記載の如く分析され、その結果を用いその製造プロセスツールの動作が調整される。
【０１２８】
本願記載のスキャタロメトリ計測を用いることで、様々な半導体構造の特性を求めることができる。構造の例としては、これに限られるものではないが、ＦｉｎＦＥＴ、低次元構造例えばナノワイヤやグラフェン、サブ１０ｎｍ構造、リソグラフィック構造、スルー基板ビア（ＴＳＶ）、メモリ構造例えばＤＲＡＭ、ＤＲＡＭ４Ｆ２、ＦＬＡＳＨ（登録商標）、ＭＲＡＭ及び高アスペクト比メモリ構造がある。構造特性の例としては、これに限られるものではないが、幾何パラメタ例えばラインエッジ粗さ、ライン幅粗さ、孔（ポア）サイズ、孔密度、側壁角、プロファイル、限界寸法、ピッチと、素材パラメタ例えば電子密度、組成、グレイン構造、モルホロジ、応力、歪み及び元素種別とがある。
【０１２９】
図１２には、本発明の計量システム１００による実施に適した方法３００が描かれている。ある態様によれば、認識頂けるように、情報処理システム１３０に備わる１個又は複数個のプロセッサにより事前プログラミング済アルゴリズムを実行することを通じて、方法３００の諸データ処理ブロックを実行することができる。以下の記述は計量システム１００の文脈で提示されているが、本願での認識によれば、計量システム１００の具体的な構造的諸側面で限定事項が表されるわけではなく、それは専ら例証として解されるべきである。
【０１３０】
ブロック３０１では、ウェハ表面上に形成された計測ターゲットが、１５ｋｅＶ以上のエネルギレベルのＸ線輻射ビームで以て照明される。
【０１３１】
ブロック３０２では、その入射ビームに応じ計測ターゲットで散乱された輻射塊のうち複数通りの回折次数に係る強度が検出される。照明源・検出器間光路長は３ｍ未満である。加えて、それら複数通りの回折次数のうち二通り以上が検出器表面上で空間的に重なり合う。
【０１３２】
ブロック３０３では、それら重なり合う回折次数それぞれの強度が、０次回折次数のビーム形状に基づき求められる。
【０１３３】
ブロック３０４では、計測ターゲットに係る注目パラメタの値が、それら複数通りの回折次数の強度に基づき求められる。
【０１３４】
本願記載の語「限界寸法」には、構造のあらゆる限界寸法（例．下部限界寸法、中部限界寸法、上部限界寸法、側壁角、格子高さ等々）、いずれか２個以上の構造間の限界寸法（例．２個の構造間の距離）、並びに２個以上の構造間のずれ（例．重なり合う格子構造間のオーバレイ位置ずれ等々）が包含される。構造には三次元構造、パターン化構造、オーバレイ構造等々が含まれうる。
【０１３５】
本願記載の語「限界寸法アプリケーション」又は「限界寸法計測アプリケーション」にはあらゆる限界寸法計測が包含される。
【０１３６】
本願記載の語「計量システム」には、限界寸法アプリケーション及びオーバレイ計量アプリケーションを初め、その態様を問わず試料の特性解明に少なくとも部分的に採用されるシステム全てが包含される。とはいえ、これらの技術用語により本願記載の語「計量システム」の範囲が制限されるわけではない。加えて、本願記載の計量システムをパターニング済ウェハ及び／又は未パターニングウェハの計測向けに構成してもよい。その計量システムを、ＬＥＤ検査ツール、エッジ検査ツール、背面検査ツール、マクロ検査ツール又はマルチモード検査ツール（１個又は複数個のプラットフォームから同時にデータを得るものを含む）その他、本願記載の計測技術から利を受けるどのような計量又は検査ツールとして構成してもよい。
【０１３７】
本願には、試料の処理に使用されうる半導体処理システム（例．検査システムやリソグラフィシステム）に関し様々な実施形態が記載されている。本願中の用語「試料」は、ウェハ、レティクルその他、本件技術分野で既知な手段により処理（例．印刷又は欠陥検査）されうるあらゆる標本のことを指している。
【０１３８】
本願中の用語「ウェハ」は、総じて、半導体又は非半導体素材で形成された基板のことを指している。その例としては、これに限られるものではないが、単結晶シリコン、ヒ化ガリウム及び燐化インジウムがある。そうした基板は半導体製造設備にて普通に見いだすこと及び／又は処理することができる。場合によっては、ウェハが基板のみで構成されることがある（いわゆるベアウェハ）。そうではなく、ウェハが、基板上に形成された１個又は複数個の異種素材層を有することもある。ウェハ上に形成された１個又は複数個の層が「パターニング」されていることも「未パターニング」なこともありうる。例えば、ウェハ内に複数個のダイがありそれらが可反復パターンフィーチャを有していることがありうる。
【０１３９】
「レティクル」は、レティクル製造プロセスのどの段階にあるレティクルでもよいし、レティクルの完成品でもよいし、また半導体製造設備での使用向けにリリースされていてもいなくてもよい。レティクル或いは「マスク」は、一般に、その上にほぼ不透明な領域が形成されておりその領域がパターンをなしているほぼ透明な基板として定義される。その基板は、例えば、ガラス素材例えばアモルファスＳｉＯ２を含有する。レジストで覆われたウェハの上方にレティクルを配してリソグラフィプロセスのうち露出工程を行うことで、そのレティクル上のパターンをそのレジストへと転写することができる。
【０１４０】
ウェハ上に形成された１個又は複数個の層がパターンをなしていてもなしていなくてもよい。例えば、ウェハ内の複数個のダイそれぞれが可反復パターンフィーチャを有していてもよい。そうした素材層の形成及び処理によって、最終的にはデバイスの完成品を得ることができる。ウェハ上には数多くの種類のデバイスが形成されうるところ、本願中の用語ウェハには、本件技術分野で既知なあらゆる種類のデバイスがその上に作成されるウェハを包括する意図がある。
【０１４１】
１個又は複数個の例示的実施形態によれば、上述の機能をハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又はそれらの何らかの組合せの態で実現することができる。ソフトウェアの態で実現するのであれば、それらの機能を１個又は複数個の命令又はコードとしてコンピュータ可読媒体上に格納し又はその媒体上で伝送することができる。コンピュータ可読媒体にはコンピュータ格納媒体及び通信媒体の双方、例えばコンピュータプログラムをある場所から別の場所へと転送するのに役立つ媒体全てが包含される。格納媒体は、汎用又は専用コンピュータによるアクセスが可能ないずれの入手可能媒体でもよい。非限定な例によれば、そうしたコンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭその他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージその他の磁気格納装置その他、命令又はデータ構造の形態を採る所望のプログラムコード手段を搬送又は格納するのに用いることができ、且つ汎用又は専用コンピュータ或いは汎用又は専用プロセッサによるアクセスが可能な、あらゆる媒体を以て構成することができる。また、どのような接続であれコンピュータ可読媒体と称して差し支えない。例えば、ソフトウェアをウェブサイト、サーバその他のリモートソースから送信するに当たり同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、ディジタル加入者線（ＤＳＬ）又は無線テクノロジ例えば赤外線、無線周波数若しくはマイクロ波が用いられるのであれば、それら同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ又は無線テクノロジ例えば赤外線、無線周波数若しくはマイクロ波は媒体の定義に収まる。本願中の用語ディスク(disk/disc)には、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザディスク、ＸＲＦ（商標）ディスク、ディジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ（登録商標））、フロッピーディスク及びブルーレイ（登録商標）ディスクを初め、通常はデータが磁気的に再生されるディスク(disk)及びレーザで以てデータが光学的に再生されるディスク(disc)が包含される。上掲のものの組合せもまたコンピュータ可読媒体の範囲内に包含されるべきである。
【０１４２】
ある特定の諸実施形態を教示目的で上述したが、本特許出願の教示は一般的な適用可能性を有するものであり、上述の具体的諸実施形態に限定されるものではない。従って、上述の諸実施形態の様々な特徴については、特許請求の範囲中で説明されている発明の技術的範囲から離隔することなく、様々な修正、適合化及び組合せを実施することができる。
【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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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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