JP2003536084A - 電子ビームによって誘導されるx線微量分析を使用した薄膜の厚さ測定 - Google Patents

電子ビームによって誘導されるx線微量分析を使用した薄膜の厚さ測定

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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 薄膜スタックを含む半導体素子からX線を放射させるビーム発生器400を備えたX線微量分析システムが提供される。荷電粒子ビームは、半導体素子上の薄膜スタック330のうちの少なくとも2枚の層を貫くことによって、これらの層をテストして良い。X線は、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500を使用して検出される。X線は、次いで、半導体素子の特性を分析するために使用される。複数のX線検出器500のそれぞれは、波長分散型システム(WDS)の検出器であって良い。本発明は、また、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を提供する。この測定方法は、電子ビームを半導体素子に向けて方向付けることによって、電子ビームが少なくとも1枚の導体薄膜層と1枚の裏打ち層とを貫くようにする動作と、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線検出器を使用して、半導体素子から放射されるX線を検出する動作と、を含む。本発明は、また、本発明による試験システムによって収集されたデータを使用して薄膜スタックの特性を決定する方法およびコンピュータ可読媒体を提供する。方法およびコンピュータ読み取り可能媒体は、薄膜スタック特性を推定した1組の値を選択すること、薄膜スタックをモデル化した方程式を推定値を使用して解くことによって、予測データを生成すること、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に、新しく1組の薄膜スタック推定特性値を選択すること、を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
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。
【0002】
【発明の背景】
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。ED
S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。
【0008】
【発明の概要】
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、1.0×1017Hz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1
8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1
6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2
8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(W
DS)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53
5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54
0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51
0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5
20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4
00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5
00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63
0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−Ζ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(Na
tional 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10
40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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),JP Fターム(参考) 2F067 AA27 BB01 BB04 BB16 CC17 DD05 DD07 HH06 HH15 JJ03 KK02 LL18 RR32 RR33 2G001 AA03 BA05 BA07 BA15 CA01 DA02 DA06 EA01 KA01 KA11 KA20 LA11 MA05 NA13 NA15 SA02 4M106 AA01 AA11 BA02 CB21 DH25 DH33 DJ17 DJ18 DJ20 DJ21 5C033 NN04 PP01 PP02 PP04 PP06 【要約の続き】 る方法およびコンピュータ可読媒体を提供する。方法お よびコンピュータ読み取り可能媒体は、薄膜スタック特 性を推定した1組の値を選択すること、薄膜スタックを モデル化した方程式を推定値を使用して解くことによっ て、予測データを生成すること、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に、新しく1組 の薄膜スタック推定特性値を選択すること、を含む。

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、 前記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、 前記試料から放射される前記X線の少なくとも一部を検出するために、 前記試料の上方に配置される、第1のX線検出器と を備える装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の装置であって、 前記第1の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。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の装置であって、 前記第1のX線検出器は波長分散型システムである、装置。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の装置であって、 前記波長分散型システムは、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。
  5. 【請求項5】 請求項1に記載の装置であって、さらに、 第2のX線検出器を備え、前記第1および第2のX線検出器は波長分散型シス
    テムである、装置。
  6. 【請求項6】 請求項1に記載の装置であって、 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枚の層の内の2層は、
    導体薄膜層および裏打ち薄膜層である、装置。
  7. 【請求項7】 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X線検出器とに接続されたプロセッサを備える
    装置。
  8. 【請求項8】 請求項7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X線検出器を制御するように構成される、装置。
  9. 【請求項9】 請求項7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。
  10. 【請求項10】 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、 前記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構成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ることによって、前記試料から放射される前記X線
    の少なくとも一部を検出し、特定のエネルギレベルを有したX線を検出するよう
    にそれぞれが構成された、少なくとも2つのX線検出器と を備える装置。
  11. 【請求項11】 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、 前記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、 前記試料の上方に配置された第1のX線検出器を使用して、前記試料から放射
    されるX線の少なくとも一部を検出する測定方法。
  12. 【請求項12】 請求項11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X線検出器を
    構成する測定方法。
  13. 【請求項13】 請求項11に記載の測定方法であって、 前記第1のX線検出器は波長分散型システムである、測定方法。
  14. 【請求項14】 請求項13に記載の測定方法であって、さらに、 前記波長分散型システムに含まれる反射面を、所定のエネルギレベルにあるX
    線が前記波長分散型システム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。
  15. 【請求項15】 請求項11に記載の測定方法であって、さらに、 前記試料から放射される前記X線の少なくとも一部を、第2のX線検出器を使
    用して検出し、前記第1および第2のX線検出器は波長分散型システムである、
    測定方法。
  16. 【請求項16】 請求項11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。
  17. 【請求項17】 請求項11に記載の測定方法であって、さらに、 前記検出されたX線から得られるデータを収集し、 前記データを分析し、薄膜スタック特性を決定する 測定方法。
  18. 【請求項18】 請求項11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。
  19. 【請求項19】 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
    ためのコンピュータコードを備えるコンピュータ読み取り可能媒体であって、 荷電粒子ビームエネルギと、荷電粒子ビームが生成される荷電粒子ビーム電流
    と、を選択し、 前記試料に向けて方向付けられることによって、前記薄膜スタックのうちの少
    なくとも2層を貫いて、前記試料からX線を放射させるように、前記荷電粒子ビ
    ームを制御し、 前記試料から放射される前記X線の少なくとも一部を検出するようにそれぞれ
    構成された少なくとも2つのX線検出器からデータを受信し、 前記データを分析し、1つまたはそれ以上の薄膜スタック特性を決定する コンピュータ読み取り可能媒体。
  20. 【請求項20】 請求項19に記載のコンピュータ読み取り可能媒体であっ
    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、コンピュータ読み取り可能媒体。
  21. 【請求項21】 試料の薄膜スタック特性値を決定する方法であって、 前記試料から放射されるX線を検出する波長分散型システムから、前記薄膜ス
    タック特性値に関する生データを取得し、 1組の薄膜スタック推定特性値を選択し、 前記1組の薄膜スタック推定特性値を使用し、薄膜スタックの構成をモデル化
    した方程式を解くことによって、予測データを取得し、 前記予測データを前記生データと比較し、 前記予測データと前記生データとの差が、所定の許容誤差より大きい場合に、
    新しく1組の薄膜スタック推定特性値を選択し、 前記予測データと前記生データとの差が、前記所定の許容誤差より大きい場合
    に、前記新しい1組の薄膜スタック推定特性値を使用し、前記薄膜スタック構成
    をモデル化した方程式を解くことによって、新しく1組の予測データを取得する
    方法。
  22. 【請求項22】 請求項21に記載の、薄膜スタック特性値を決定する方法
    であって、さらに、 前記予測データと前記生データとの差が、前記所定の許容誤差に等しいまたは
    それより小さい場合に、前記1組の薄膜スタック推定特性値を記録する方法。
  23. 【請求項23】 請求項21に記載の、薄膜スタック特性値を決定する方法
    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したX線の
    カウント値を表しており、前記カウント値は、一定期間に渡って前記波長分散型
    システムによって受信されたX線の総数である、方法。
  24. 【請求項24】 請求項21に記載の、薄膜スタック特性値を決定する方法
    であって、 前記薄膜スタック推定特性値は、前記薄膜スタックのうちの少なくとも2層の
    厚さおよび組成を表している、方法。
  25. 【請求項25】 請求項24に記載の、薄膜スタック特性値を決定する方法
    であって、 前記薄膜スタックのうちの前記少なくとも2層の内の2層は、導体層および裏
    打ち層である、方法。
  26. 【請求項26】 試料の薄膜スタック特性値を決定するためのコンピュータ
    コードを備えるコンピュータ読み取り可能媒体であって、 前記試料から放射されるX線を検出する波長分散型システムから、前記薄膜ス
    タック特性値に関する生データを取得し、 1組の薄膜スタック推定特性値を選択し、 前記1組の薄膜スタック推定特性値を使用し、薄膜スタックの構成をモデル化
    した方程式を解くことによって、予測データを取得し、 前記予測データを前記生データと比較し、 前記予測データと前記生データとの差が、所定の許容誤差より大きい場合に、
    新しく1組の薄膜スタック推定特性値を選択し、 前記予測データと前記生データとの差が、前記所定の許容誤差より大きい場合
    に、前記新しい1組の薄膜スタック推定特性値を使用し、前記薄膜スタック構成
    をモデル化した方程式を解くことによって、新しく1組の予測データを取得する
    コンピュータ読み取り可能媒体。
  27. 【請求項27】 請求項26に記載のコンピュータ読み取り可能媒体であっ
    て、さらに、 前記予測データと前記生データとの差が、前記所定の許容誤差に等しいまたは
    それより小さい場合に、前記1組の薄膜スタック推定特性値を記録するコンピュ
    ータ読み取り可能媒体。
  28. 【請求項28】 請求項26に記載のコンピュータ読み取り可能媒体であっ
    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したX線の
    カウント値を表しており、前記カウント値は、一定期間に渡って前記波長分散型
    システムによって受信されたX線の総数である、コンピュータ読み取り可能媒体
  29. 【請求項29】 請求項26に記載のコンピュータ読み取り可能媒体であっ
    て、 前記薄膜スタック推定特性値は、前記薄膜スタックのうちの少なくとも2枚の
    層の厚さおよび組成を表している、コンピュータ読み取り可能媒体。
  30. 【請求項30】 請求項29に記載のコンピュータ読み取り可能媒体であっ
    て、 前記薄膜スタックのうちの前記少なくとも2層の内の2層は、導体層および裏
    打ち層である、コンピュータ読み取り可能媒体。
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