JP2004245840A - 小角散乱測定を含むｘ線反射率測定 - Google Patents

小角散乱測定を含むｘ線反射率測定 Download PDF

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Abstract

【課題】 Ｘ線反射率と小角Ｘ線散乱とを組み合わせた測定を試料に行う方法及びシステムを提供する。
【解決手段】 試料の検査用装置は、放射線源と、放射線源による表面の領域の照射に起因する表面からの放射線を受け取るために配置された検出素子アレイと、を有する。上記アレイが、表面に垂直な第１軸に沿って受け取られた放射線を分析する第１の作動上の配置と、表面に平行な第２軸に沿って受け取られた放射線を分析する第２の作動上の配置と、を有する。信号処理装置は、表面に対する仰角に応じた表面の反射率と、表面の平面における方位角に応じた表面の散乱プロファイルと、を決定するために、２つの配置において検出器アレイからの信号を処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、概括的には、分析機器に関するものであり、特に、Ｘ線を使用する薄膜分析のための機器及び方法に関するものである。
Ｘ線反射率測定(ＸＲＲ)は、基板上に堆積された薄膜層の厚さ、密度及び表面品質を測定するよく知られた技術である。従来のＸ線反射率計は、多数の会社により、中でもテクノス(Technos)(日本国大阪府)、シーメンス(Siemens)(独国、ミュンヘン)及びビード・サイエンティフック・インストゥルメンツ(Bede Scientific Instrument)(英国、ダラム)により販売されている。上記のＸ線反射率計は、典型的には、かすり入射で、すなわち、試料の表面に対して小角で、ほぼ試料の外部での全反射角(total external reflection angle)で、Ｘ線ビームを試料に照射することにより作動する。角度に応じて試料から反射されるＸ線強度の測定は、干渉縞パターンをもたらし、上記パターンは、縞パターンを作り出す原因である膜層の特性を決定するために分析される。Ｘ線強度測定は、一般に、比例計数管、又は、典型的には、フォトダイオードアレイ(photodiode array)又は電荷結合素子(ＣＣＤ)であるアレイ検出器(array detector)のような位置検知形検出器を使用して行われる。
膜厚を決定するためにＸ線データを分析する方法は、例えば、コミヤ(Komiya)等に対し発行された米国特許第５７４０２２６号に記載されており、その開示事項は、引用することによりここに組み込まれる。角度に応じてＸ線反射率を測定した後に、平均反射率曲線が、縞の分布範囲(spectrum)に適合させられる。平均曲線は、減衰、バックグラウンド(background)及び膜の表面粗さを表す式に基づくものである。適合させられた平均反射率曲線は、その後、縞の分布範囲の振動成分を導き出すことに使用される。この成分は、膜厚を見出すためにフーリエ変換される。
コッペル(Koppel)に対し発行された米国特許第５６１９５４８号は、反射率測定に基づくＸ線厚み計を記載しており、その開示事項は、引用することによりここに組み込まれる。湾曲反射Ｘ線モノクロメータ(curved reflective X-ray monochromator)が、試料の表面上にＸ線を集束させるために使用される。フォトダイオード検出器アレイのような位置検知形検出器が、表面から反射されるＸ線を検知し、反射角に応じて強度信号を生じさせる。角度に依存する信号は、厚さ、密度及び表面粗さを有する試料上の薄膜層の構造特性を決定するために分析される。
バートン(Barton)等に対し発行された米国特許第５９２３７２０号はまた、湾曲結晶モノクロメータに基づくＸ線分光計を記載しており、その開示事項は、引用することによりここに組み込まれる。上記モノクロメータは、漸減対数らせん(tapered logarithmic spiral)形をしており、試料表面上に従来技術のモノクロメータより微細な焦点を実現すると記載されている。試料表面から反射される、又は回折されるＸ線が、位置検知形検出器により受け取られる。
Ｘ線反射率測定はまた、例えば、米国特許出願公開第２００１／００４３６６８Ａ１号にハヤシ(Hayashi)等により記載されるように、半導体ウエハ上に製作した薄膜層を検査するために、堆積炉内部にそのままで(in situ)使用されてもよく、その開示事項は、引用することによりここに組み込まれる。上記炉は、Ｘ線の入射及び取り出し窓を側壁に備えている。薄膜が堆積される基板は、入射窓を通して照射され、基板から反射されるＸ線は、Ｘ線取り出し窓を通して検知される。
小角Ｘ線散乱(ＳＡＸＲＳ)は、表面層特性のためのもう１つの方法である。例えば、パリル(Parrill)等により「ＧＩＳＡＸＳ−微小角入射Ｘ線散乱(Glancing Incidence Small Angle X-ray Scattering)」ジャーナル・ディ・フィジィック第４巻３号(Journal de Physique ＩＶ 3)(１９９３年１２月)、ページ４１１〜４１７に記載されており、引用することによりここに組み込まれる。この方法では、入射Ｘ線ビームが、表面から外部に全反射される。表面領域内部のエバネッセント波(evanescent wave)が、上記領域内部の微細構造により散乱される。散乱エバネッセント波の測定が、これらの構造について情報を提供し得る。例えば、パリル等は、表面上の膜成長に関連する島(island)についてサイズ情報を決定するためにこの技術の使用を記載している。
小角Ｘ線散乱は、シリコンウエハ上に形成された低誘電率誘電体材料(low-k dielectric material)の表面層の中の孔(pore)の特徴を決定するためにこのように使用され得る。ナノポーラスシリケート(Nano-porous silicate)及びポリマ(polymer)は、０．２５ミクロン以下の(sub-0.25μm)技術を有するマイクロ電子デバイスに使用するための魅力ある材料であると考えられるが、孔の大きさ及び密度に関する非破壊特性評価が、これまでは困難な課題となっていた。多孔質低誘電率材料の特性を示す散乱Ｘ線反射率の使用は、例えば、ワーミングトン(Wormington)によりセマテック・ゲート・スタック・エンジニアリング・ワークショップ(Sematech Gate Stack Engineering Workshop)(２００２年５月２日、テキサス州オースティン(Austin))において紹介された“Ｘ線反射率を使用する低誘電率材料の孔サイズ分布特性”に説明されており、引用することによりここに組み込まれる。同様の方法が、イトウ(Ito)によりインターナショナル・セマテック・ウルトラ・ローケー・ワークショップ(International Sematech Ultra Low-k Workshop)(２００２年６月６日〜７日、カリフォルニア州サンフランシスコ)において紹介された“低誘電率薄膜の孔サイズ分布を決定するＸ線散乱方法”に説明されており、引用することによりここにまた組み込まれる。
小角Ｘ線散乱による評価の下で試料を照射するために使用されるＸ線光学部品の配置(configuration of X-ray optics)は、典型的には、Ｘ線反射率測定に使用されるものとは異なる。例えば、イワサキ(Iwasaki)は、米国特許出願公開第２００１／００２８６９９Ａ１号に小角散乱システムにおいて使用するＸ線光学部品装置及び多層膜ミラー(multilayer mirror)を記載しており、その開示事項は、引用することによりここに組み込まれる。多層膜ミラーは、２つの焦点を有する楕円形の反射面を有している。従って、焦点の一方における線源(source)からのＸ線ビームは、小角散乱測定法において高精度を付与すると考えられる方法で、他方の焦点においてスポット(spot)に焦点を合わせられる。
米国特許第５７４０２２６号明細書 米国特許第５６１９５４８号明細書 米国特許第５９２３７２０号明細書 米国特許出願公開第２００１／００４３６６８号明細書 米国特許出願公開第２００１／００２８６９９号明細書 「Journal de Physique ＩＶ 3」、1993年12月発行、p411〜417
本発明は、Ｘ線反射率と小角Ｘ線散乱とを組み合わせた測定を試料に行う方法及びシステムを提供する。これらの方法及びシステムは、例えば、低誘電率多孔質誘電体のような多孔質材料(porous material)の特性評価に有利である。Ｘ線反射率測定及び小角Ｘ線散乱は、それらが提供する情報に関して互いに補足し合うけれども、単一のシステムを使用して、両方の種類の測定を行うことに固有の問題がある。試料の照射に関して、小角Ｘ線散乱の正確な測定のためには、平行にされたビームが有利である。これに対して、Ｘ線反射率測定は、大きい収束角を備えた集中ビームを有利に使用し、その結果、反射率測定が、数度の範囲にわたって同時に行われ得る。検出側では、小角Ｘ線散乱は、典型的には、試料の表面の平面内における方位角に応じた散乱を調査しており、Ｘ線反射率測定は、表面の平面に垂直な仰角に応じて反射Ｘ線を測定することに基づいている。
本発明の実施形態は、Ｘ線反射率と小角Ｘ線散乱の両方の要求を有利に及び効率良く満たすために新しいＸ線光学部品(X-ray optics)及び検出アセンブリ(detection assembly)を使用する。これらの実施形態では、Ｘ線検査装置は、試料の表面の小領域を照射するように設定される放射線源を有している。Ｘ線光学部品は、行われる測定の形式に依存して、ビームの角度の幅及び高さを調整するために、放射線ビームを制御する。検出アセンブリは、照射された領域から反射される、又は散乱される放射線を受け取るために配置されている検出素子アレイ(array of detector elements)を有している。上記アレイは、２つの作動上の配置(operative configuration)をとり、１つにおいて、アレイ素子(element of the array)が試料面に垂直である第１軸に沿って放射線を分析し、もう１つにおいて、素子が上記面に平行である第２軸に沿って放射線を分析する。適切な配置が、行われる測定の形式において、機械的に又は電子的に選択される。典型的には、第１軸がＸ線反射率測定のために選択され、第２軸が小角Ｘ線散乱のために選択される。
ここに記載されている本発明の実施形態は、主に、薄膜、特に半導体ウエハ上に形成された膜に対するＸ線測定を向上させることに関するものであるが、本発明の原理は、他の形式の放射線に基づく分析はもちろん、コロイドの分析のように、Ｘ線反射率及び散乱の他の適用において同様に使用され得る。
従って、本発明の実施形態に基づいて、試料の検査用装置が提供されており、上記装置は、試料の表面上の領域を照射するのに適した放射線源と、放射線源による上記領域の照射に起因する表面からの放射線を受け取るように、また、受け取られた放射線に反応する信号を発生させるように配置される検出素子アレイであって、表面に垂直な第１軸に沿って受け取られた放射線を分析する第１の作動上の配置、及び表面に平行な第２軸に沿って受け取られた放射線を分析する第２の作動上の配置をとる上記検出素子アレイを有する検出器アセンブリ(detector assembly)と、表面に対する仰角に応じて表面の反射率を決定すべく第１の作動上の配置の検出器アセンブリからの信号を処理するために、また、表面の平面における方位角に応じて表面の散乱プロファイル(profile)を決定すべく第２の作動上の配置の検出器アセンブリからの信号を処理するために連結される信号処理装置と、を有している。
典型的には、放射線源は、上記領域の方へＸ線ビームを放射するのに適したＸ線源を備えており、上記装置は、アレイが第１又は第２の作動上の配置にあるかに依存するビームの横寸法を調節するのに適したＸ線光学部品を有している。Ｘ線光学部品は、アレイが第１の作動上の配置にある場合には、試料の表面の上記領域に収束する円錐状放射線を規定するためにビームを調節するように、また、アレイが第２の作動上の配置にある場合には、実質的にビームを平行にするように適合させられ得る。
付加的に、又はその代わりに、Ｘ線光学部品は、試料の表面に対する角度範囲を調節するために調整可能であるシャッタアセンブリ(shutter assembly)を有しており、その内部でＸ線ビームが上記表面に入射する。典型的には、信号処理装置が、試料基板の上にある表面層に起因する散乱プロファイルを決定するように適合させられており、シャッタアセンブリは、Ｘ線ビームが表面に入射する角度範囲が、表面層から外部への全反射の第１臨界角により、また基板から外部への全反射の第２臨界角によりほぼ拘束されるように調整可能であり、ここにおいて、第２臨界角は、第１臨界角より大きい。
本発明の１つの実施形態では、検出素子アレイは、アレイ軸を有しており、上記アレイは、アレイ軸が第１の作動上の配置において表面に垂直である、及びアレイ軸が第２の作動上の配置において表面に平行であるように回転可能である。上記アレイが、リニアアレイ(linear array)を含んでいてもよく、検出素子が、アレイ軸に垂直でありアレイのピッチ(pitch)よりかなり大きい横寸法を有してもよい。代わりに、アレイが、検出素子の２次元マトリクス(two-dimensional matrix)を有してもよく、検出器アセンブリが、アレイ軸に垂直な方向に沿ってアレイのそれぞれの列における検出素子のビニングを行う(bin)ように適合させられてもよい。
本発明の１つの実施形態では、信号処理装置が、試料基板の上にある多孔質表面層に起因する反射率及び散乱プロファイルを決定するように、また、反射率及び散乱プロファイルに基づいて、多孔質表面層内部に位置する孔の１つ若しくはそれ以上の特性を評価するように適合させられてもよい。典型的には、１つ若しくはそれ以上の特性は、孔の密度及び平均サイズを含んでいる。
本発明の実施形態に基づいて、試料の検査方法がまた提供されており、上記検査方法は、試料の表面上の領域を照射するステップと、放射線源による領域の照射に起因する表面からの放射線を受け取り、受け取られた放射線に反応する第１信号を発生させるために、表面に垂直な第１軸に沿って受け取られた放射線を分析する第１の作動上の配置に検出素子アレイを配列するステップと、放射線源による領域の照射に起因する表面からの放射線を受け取り、受け取られた放射線に反応する第２信号を発生させるために、表面に平行な第２軸に沿って受け取られた放射線を分析する第２の作動上の配置に検出素子アレイを配列するステップと、表面に対する仰角に応じて表面の反射率を決定するために第１信号を処理するステップと、表面の平面における方位角に応じて表面の散乱プロファイルを決定するために第２信号を処理するステップと、を有する。
１つの実施形態では、上記領域を照射するステップは、ウエハ表面に薄膜層を堆積するために使用されるチャンバ(chamber)内部で半導体ウエハを照射するステップを含んでおり、第１及び第２の作動上の配置に検出素子アレイを配列するステップは、上記室内部でウエハ表面からの放射線を受け取るステップを含んでいる。
本発明の１つの実施形態に基づいて、マイクロ電子デバイスを製造するクラスターツール(cluster tool)がまた提供されており、上記クラスターツールは、堆積ステーション(deposition station)と、検査ステーション(inspection station)と、信号処理装置と、を有しており、上記堆積ステーションは、半導体ウエハの表面に薄膜層を堆積するように適合させられており、上記検査ステーションは、ウエハの表面上の領域を照射するのに適した放射線源と、放射線源による領域の照射に起因する表面からの放射線を受け取るように、また、受け取られた放射線に反応する信号を発生させるように配置された検出素子アレイであって、表面に垂直な第１軸に沿って受け取られた放射線を分析する第１の作動上の配置及び表面に平行な第２軸に沿って受け取られた放射線を分析する第２の作動上の配置をとる上記アレイを有する検出器アセンブリと、を有しており、上記信号処理装置は、堆積ステーションにより堆積された薄膜層の品質を評価できるように、表面に対する仰角に応じて表面の反射率を決定すべく第１の作動上の配置の検出器アセンブリからの信号を処理するために、また、表面の平面における方位角に応じて表面の散乱プロファイルを決定すべく第２の作動上の配置の検出器アセンブリからの信号を処理するために連結される。
本発明の１つの実施形態に基づいて、マイクロ電子デバイスを製造するための装置が更に提供されており、上記装置は、半導体ウエハを受け取るのに適した製造チャンバ(production chamber)と、上記チャンバ内部で半導体ウエハの表面上に薄膜層を堆積するのに適した堆積装置と、上記チャンバ内部でウエハの表面の領域を照射するのに適した放射線源と、放射線源による領域の照射に起因する表面からの放射線を受け取るように、また、受け取られた放射線に反応する信号を発生させるように配置された検出素子アレイであって、表面に垂直な第１軸に沿って受け取られた放射線を分析する第１の作動上の配置及び表面に平行な第２軸に沿って受け取られた放射線を分析する第２の作動上の配置をとる上記アレイを有する検出器アセンブリと、堆積ステーションにより堆積された薄膜層の品質を評価できるように、表面に対する仰角に応じて表面の反射率を決定すべく第１の作動上の配置の検出器アセンブリからの信号を処理するために、また、表面の平面における方位角に応じて表面の散乱プロファイルを決定すべく第２の作動上の配置の検出器アセンブリからの信号を処理するために連結される信号処理装置と、を有している。
本発明は、添付図と合わせて取り上げられる、その実施形態の以下の詳細な記述からより完全に理解されるであろう。
本発明の実施形態に基づいて、Ｘ線反射率(ＸＲＲ)及び小角散乱(ＳＡＸＲＳ)測定用システム２０を概略的に表わしている図１及び図２が参照されている。図１は、システムの側面図であり、図２は、平面図である。システム２０は、小角Ｘ線散乱測定に必要とされる特徴及び機能が付加された上述の米国特許出願第０９／８３３９０２号に記載されているＸ線反射率測定システムと同様である。
半導体ウエハのようなシステム２０により評価される試料が、位置及び方位の正確な調整を可能とする可動ステージ(motion stage)２４に取り付けられる。典型的には、好適な単色光学部品(monochromatizing optics)(不図示)を備えたＸ線源２６が、試料２２上の小領域２８を照射する。例えば、オックスフォード・インストゥルメンツ(カリフォルニア州スコッツバリー(Scotts Valley))により製造されているＸ線管ＸＴＦ５０１１が、この目的のために使用されてもよい。上記光学部品は、集束ビーム２７で領域２８上にＸ線管から放射線を集束させる。線源２６に使用され得る多数の異なる光学上の配置が、米国特許第６３８１３０３号に記載されており、その開示事項は、引用することによりここに組み込まれている。例えば、上記光学部品は、ニューヨーク州アルバニー(Albany)にあるエックスオーエス(XOS Inc.)により製造されているダブルベント集束結晶光学部品(Doubly-Bent Focusing Crystal Optic)のような湾曲結晶モノクロメータを有してもよい。他の好適な光学部品が、上述の米国特許第５６１９５４８号及び第５９２３７２０号に記載されている。更に可能な光学上の配置は、当業者に明らかである。システム２０において反射及び散乱測定用の典型的なＸ線エネルギー源は、約８．０５キロ電子ボルト(8.05keV)(Ｃｕｋａ１)である。代わりに、５．４キロ電子ボルト(5.4keV)(ＣｒＫａ１)のような他のエネルギー源が、使用されても良い。
ダイナミック・ナイフエッジ(dynamic knife edge)３６及びシャッタ３８が、垂直方向(すなわち、試料２２の平面に垂直)においてＸ線の入射ビーム２７の角度範囲を制限するために使用されており、スリット３９が、水平にビームを制限するために使用され得る。ナイフエッジ、シャッタ及びスリットが共に、ビーム２７の横寸法を調整するために、シャッタアセンブリとして機能を果たしている。図１及び図２におけるシャッタアセンブリの配置は、一例として示されており、以下に説明されるように、ビーム２７の横寸法を制御するＸ線光学部品の代わりとなる配置が、当業者に明らかであり、本発明の範囲内にあると考えられる。
Ｘ線反射率測定におけるナイフエッジ３６及びシャッタ３８の使用が、上述の米国特許出願第０９／８３３９０２号に詳細に記載されている。簡単に言えば、ゼロ度(０°)近くの低角の反射の光学的検出のために、シャッタ３８が、入射ビーム２７の範囲の外部に引き下げられ、ナイフエッジ３６が、領域２８の上に位置付けられ、ビームの有効な垂直断面を縮小するために下げられる。その結果、領域２８上に入射するＸ線スポットの外側の寸法が、減少させられる。これに対して、より弱く、高角の反射の有効な検出のためには、ナイフエッジ３６が、ビーム２７から引き出され、シャッタ３８が、ビームの小角部分を遮るように位置付けられる。(代わりに、シャッタが、反射ビーム２９の小角部分を遮るように位置付けられてもよい。）このようにして、強い小角の反射ではなく、試料２２から高角の反射のみが検出器アレイに達し、これにより、高角の測定の信号／バックグラウンドの比が高まる。
Ｘ線反射率測定のためには、ビーム２７が、領域２８上に収束するように集束されることが好都合であるのに対し、小角Ｘ線散乱測定は、好ましくは、狭い入射ビーム、典型的には、ほぼ平行にされているビームを使用して行われる。このため、ナイフエッジ３６及びシャッタ３８が、垂直方向において、試料の外部への全反射の臨界角以下のビーム２７の狭い部分のみが、領域２８に入射するように位置付けられる。この目的のためにナイフエッジとシャッタの最適な位置付けは、図４に関連して以下に説明される。同時に、スリット３９が、図２に示されるように、狭い水平の範囲のみ入ることを可能とするように閉められる。スリット幅は、以下に説明されるように、小角Ｘ線散乱測定の範囲及び分解能を最適化するために選択される。最適幅は、線源２６により発生されるようなビーム２７の特性に依存する。(ある幅、典型的には、約１００マイクロメータ(100μｍ)以下では、更に幅を小さくすることにより改善が得られない。）Ｘ線反射率測定の間中、スリット３９は、完全な円錐状の収束光線が入ることを可能とし、それにより反射率測定の信号／ノイズの比を増大させるために、典型的には、大きく開いている。
試料２２から反射される及び／又は散乱されるＸ線ビーム２９は、検出器アセンブリ３０により集められる。典型的には、Ｘ線反射率に関し、アセンブリ３０は、試料の外部への全反射の臨界角より下及び上の両方の垂直(射角−Φ)方向における約０度と３度との間の反射角の範囲にわたって、反射Ｘ線を集める。小角Ｘ線散乱に関して、アセンブリ３０は、水平(方位角−θ)方向における同様の角度の範囲にわたって散乱Ｘ線を集める。(図を明瞭化するために、図に示した角度は、図１において試料２２の平面の上方にある線源２６及び検出器アセンブリ３０の射角と同様に誇張されている。）
アセンブリ３０は、以下に説明されるように、ＣＣＤアレイのような検出器アレイ３２を有している。図を簡略化するために、検出素子の単一の列のみが、比較的少数の検出素子を備えて図に示されているが、アレイ３２は、通常、リニアアレイ又はマトリクス(２次元)アレイのどちらかとして配置される多数の素子を有している。アセンブリ３０は、アレイと試料との間に、検出器アレイの前に配置されるベリリウム(Beryllium)のような好適なＸ線透過物質で作られる窓３４をさらに有している。更に、アレイ３２の作用、特にＸ線反射率測定及び小角Ｘ線散乱測定の両方を行うときの使用の詳細が、図３Ａ及び図３Ｂに関して以下に記載される。
信号処理装置４０は、所定のエネルギーにおいてまたはエネルギー範囲を超えて、角度に応じて試料２２から反射される又は散乱されるＸ線光子束の分布４２を測定するために、アセンブリ３０の出力を分析する。典型的には、試料２２は、領域２８において薄膜のような１つ若しくはそれ以上の薄い表面層を有しており、その結果、射角に応じた分布４２が、層の間の界面からの反射されたＸ線波(X-ray wave)の間での干渉効果のために振動構造を示す。方位角に応じた散乱Ｘ線の分布は、試料２２の表面層において孔のような微細構造を示している。処理装置４０は、以下に記載される分析方法を使用して、層の厚さ、密度、表面品質及び孔サイズのような試料の１つ若しくはそれ以上の表面層の特性を決定するために、角度分布の特性を分析する。
図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ、本発明の実施形態に係る第１及び第２の作動上の配置におけるアレイ３２の概略正面図である。図３Ａに示した第１の配置は、Ｘ線反射率用に使用され、図３Ｂに示した第２の配置は、小角Ｘ線散乱測定用に使用される。アレイ３２は、２つの軸、つまりＸ線反射率用に試料２２の平面に垂直な第１軸と、小角Ｘ線散乱用に試料平面に平行な第２軸のどちらかに沿って入射光を分析するように位置調整され得るアレイ軸を備えて、検出素子４６の単一の列を有するようにこれらの図に示されている。素子４６は、高いアスペクト比を有している、すなわち、アレイ軸に対する横方向の幅が、軸に沿うピッチよりかなり大きい。アレイ３２が、アレイ軸に沿う各角度の増分についての比較的広い領域にわたりＸ線光子を集めることができるので、高アスペクト比は、システム２０の信号／ノイズの比を高めるのに有効である。素子４６の寸法が、単に一例として図に示されているが、本発明の原理は、好適な検出器装置の用途の必要性及び有用性に依存して、より小さい又はより大きいアスペクト比の素子を使用して用いられてもよい。
上述のように、アレイ３２が、日本国浜松市にあるハママツ(Hamamatsu)により生産されている型式Ｓ７０３２−１００８のような線形ＣＣＤアレイ又はマトリクスアレイのどちらかを有してもよい。この後者のアレイは、全体サイズが２５．４×６ｍｍで、１０４４×２５６画素(ピクセル：pixel)を有している。ハママツによりこの目的のために与えられる専用の機器を使用して、ラインビニングモード(line-binning mode)で作動されることができ、その結果、上記アレイの各列において複数の検出素子は、高アスペクト比を備えた単一の素子として有効に機能する。この場合には、アレイ３２は、物理的に検出素子の２次元的マトリクスを有しているが、図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、アレイは、機能上、検出素子の単一の列の形態をとる。
アレイ３２は、その代わりに、好適な読み出し回路を備えたＰＩＮダイオードのアレイを有してもよく、或いは、米国特許第６３８９１０２号に記載されるように、集積処理電子機器(integrated processing electronics)を有してもよく、その開示事項は、引用することによりここに組み込まれている。この特許はまた、アレイの別の特徴を記載しており、アレイの検出特性を高めるのに適合させられ得る(１次元又は２次元の両方の)アレイ及びマスキング(masking)の様々な幾何学的配置を有している。これらの特徴は、同様に本特許出願のアセンブリ３０に適用できる。いずれにしても、これらの検出器の形式は、一例としてここに記載されており、あらゆる好適な形式、寸法及び数を有する検出器が使用され得ることが理解されるであろう。
アレイ３２は、アセンブリ３０における好適な位置決め機器(不図示)を使用して、機械的に図３Ａ及び図３Ｂの異なる作動上の軸間で切り替えられ得る。上記機器は、行われる測定の形式に依存して、垂直及び水平軸の間で９０度だけアレイを回転させる。回転点が、アレイ３２の中心近くであるならば、小角Ｘ線散乱測定用に(試料２２の平面により近く)下方へ、また、Ｘ線反射率用に上方へアレイを移動する必要があり得る。その代わりに、回転点が、試料の表面近くに固定されてもよく、それによりアレイの垂直の移動は必要とされない。この場合には、小角Ｘ線散乱の配置において、アレイ３２は、入射ビーム２７の軸について中心に配置されなくてもよい。しかし、小角Ｘ線散乱は、一般に入射ビーム軸について対称であるので、実質的に、情報は、両方ではなく軸の１つの側面に対して散乱された放射線を測定することにより失われることはない。
他の手段が、その代わりに、アレイ３２の第１及び第２の作動上の配置の間で切り替えるために使用されてもよい。例えば、アセンブリ３０が、垂直及び水平の両方の方向におけるアレイ３２の素子４６のビニングを行うことができるならば、作動上の軸の間の切替えは、単にビニング方向(binning direction)を切り替えることにより電子的に成し遂げられ得る。原則的に、試料２２を機械的に回転させることもまた可能であるが、このオプション(option)は、１０−１２インチ(10-12")半導体ウエハのような大きい試料については現実的ではない。
図４は、本発明の１つの実施形態に係るシステム２０を使用して行われたＸ線反射率測定の概略プロットである。上記プロットは、仰角φの関数としてアレイ３２により受け取られる反射Ｘ線の強度を示している。上部曲線５０は、ベアシリコンウエハ(bare silicon wafer)から測定される反射を示しており、下部曲線５２は、低誘電率多孔質誘電体膜が形成されているウエハからの反射を示している。両方の曲線は、０．２度(0.2°)よりわずかに大きく、φ２として図に記されている角度においてショルダ部(shoulder)を有している。この角度は、シリコンから外部での全反射の臨界角におおよそ一致する。臨界角より上では、主に低誘電率膜の上側及び下側の面からの反射のために、曲線５２は、振動構造を示す。この振動の周期及び振幅が、低誘電率膜、或いはその下にある他の薄膜層の厚さ及び表面品質を決定するために分析される。例えば、高速フーリエ変換(ＦＦＴ)が、関連する振動の特性を導き出すために使用され得る。曲線５２のようなＸ線反射率の信号を分析する方法が、上記の米国特許出願第０９／８３３９０２号により詳細に記載されている。
臨界角、つまり反射率曲線においてショルダ部の位置は、Ｘ線が反射する材料の密度により主に決定される。ウエハ上に堆積される多孔質低誘電率誘電体層は、シリコン基板よりかなり低い密度を有するので、多孔質層の臨界角は、下にあるシリコンのそれよりかなり小さい。従って、曲線５２において、もう１つのショルダ部が、多孔質層の臨界角に相当するφ１として図に記されるより小さい角度で見られる。φ１の値に基づいて、処理装置４０は、多孔質材料の全体の密度を決定することができる。誘電体材料(孔がない場合)の固有の密度が、典型的に知られているので、多孔質層の体積単位当りの孔の全容積は、φ１の測定された値に基づいて、誘電体材料の既知の固有の密度と見積もられた多孔質層全体の密度との間の差分として導き出され得る。
Ｘ線反射率により測定されたφ１とφ２の値はまた、小角Ｘ線散乱測定を行うためにナイフエッジ３６とシャッタ３８の最も望ましい設定を示している。φ１より下では、試料２２に入射するＸ線は、実質的に、上の多孔質層の中へ浸透せず、それにより小角Ｘ線散乱信号にあまり寄与しない。φ２より上では、入射光は、シリコン基板の方へ浸透し、その結果、これらの高い角度における放射線もまた、小角Ｘ線散乱測定にあまり寄与しない。従って、小角Ｘ線散乱測定を行うのに備えて、処理装置４０(又はシステム２０のオペレータ)は、典型的には、シャッタがφ１より下の角度において入射光を遮断し、ナイフエッジがφ２より上の角度において入射光を遮断するように、シャッタ３８とナイフエッジ３６の位置を調節する。φ１とφ２の間の範囲外の入射光は、小角Ｘ線散乱信号を高めることなく、空気からの寄生散乱(parasitic scattering)と、試料２２及びシステム２０の他の要素とのために、バックグラウンドを増加させる傾向があるのみである。
その代わりに、シャッタ３８とナイフエッジ３６の位置を動的に調節する代わりに、固定幅の水平スリットが、小角Ｘ線散乱測定の間中、入射光の角度範囲を制限するために使用されてもよい。発明者は、例えば、試料の表面に対して０．１０度と０．２３度との間の仰角範囲の進入を可能とするスリットが、多孔質低誘電率誘電体膜の小角Ｘ線散乱測定に効果があることを見出している。
図５Ａは、本発明の１つの実施形態に係る上記の方法においてシステム２０を使用して得られた小角Ｘ線散乱測定結果の概略プロットである。その結果は、Ｘ線散乱測定技術で見られるように、運動量移動パラメータＱの関数として表示される。(Ｑ＝４πsinθ/λ、単位はÅ−１(inverse Angestrom)、θは方位角、λはＸ線波長であり、本実施例においては、１．５４オングストローム(Å)）２つの測定が図に示されており、上部曲線６０が、上に多孔質低誘電率誘電体層を有するウエハから、Ｑの関数として散乱測定を示しており、下部曲線６２が、ベアシリコンウエハからの散乱を示している。曲線６０が、曲線６２によって標準化される、すなわち、曲線全体が、両方の曲線において中央のピークが等しい高さを有するように合わせられる。低誘電率層の中の孔からの散乱効果は、約０．０２Å−１と約０．１２Å−１との間の範囲において、曲線６２に対する曲線６０の高さで評価され得る。
図５Ｂは、図５Ａの測定により付与される正味の小角Ｘ線散乱信号を示す概略プロットである。データ点６４は、θの各値において曲線６０と６２との測定される差分に相当する。曲線６６は、データ点６４に対するパラメトリック曲線への適合(parametric fit)を示している。適合のパラメータは、孔の密度Ｃ、孔の平均サイズＲ０、及び平均値について孔サイズ分布の幅σを有している。上述のように、多孔質層全体の密度、つまり孔の全容積は、図４に示したＸ線反射率測定から導き出され得る。この情報が、平均孔サイズの正確な評価を得るために、曲線６６の適合に対する入力として使用され得る。
実質的には、従来技術で知られているあらゆる適合方法が、曲線６６をデータ点６４に適合させるために使用され得る。適合の目的は、実験結果に対して以下の式により与えられるような散乱強度Ｉ(Ｑ)の分布に最適に適合するＣ、Ｒ０、及びσの値を見出だすことである。
Figure 2004245840
ここで、Ｒは孔サイズであり、Ｒmax及びＲminは、実践的な最大及び最小のサイズ限界である。Ｆは、球状の孔を仮定し、以下に与えられる散乱形状因子である。
Figure 2004245840
孔サイズの分布ｎ(R)が、ギニエ近似に基づいて、正規分布として近似され得る。
Figure 2004245840
その代わりに、対数正規分布のような他の分布が採用されてもよい。
Figure 2004245840
散乱結果を処理する代替の方法と同様に、適合手順の詳細は、当業者に明らかである。
上記のように、システム２０は、マイクロ電子デバイスを製造する過程において、半導体ウエハ上に形成される薄膜の検査に特に有用である。この目的のために、システム２０は、半導体製造設備において、独立したオフライン式の検査ステーションとして配備され得る。その代わりに、上記の原理に基づく検査システムが、インライン式の測定及び監視のために半導体製造設備と一体化されてもよい。この種のインラインシステム(inline system)の２つの例が、以下に説明される。本発明の原理に基づく検査性能を統合する代替の設備構成が、本特許出願を読んだ場合に、当業者に明らかであり、本発明の範囲内であると考えられる。
図６は、本発明の１つの実施形態に基づいて、半導体デバイス製造に使用するクラスターツール７０の概略平面図である。クラスターツールは、半導体ウエハ７７上に薄膜を堆積する堆積ステーション７２、検査ステーション７４、及び当業者に知られるように洗浄ステーション(cleaning station)のような他のステーション７６を有する複数のステーションを含んでいる。検査ステーション７４が構成されており、上記のように、システム２０と同様の方法で作動する。ロボット７８が、システム制御装置８０の制御の下でステーション７２，７４，７６…の間でウエハ７７を移動する。ツール７０の運転が、制御装置８０に連結されたワークステーション８２を使用するオペレータにより制御され、且つ監視されてもよい。
検査ステーション７４は、ツール７０の堆積ステーション７２及び他のステーションにより行われる生産プロセスにおいて選択されたステップの前後で、ウエハのＸ線検査を行うために使用される。上記検査は、Ｘ線反射率測定、又は小角Ｘ線散乱のどちらか、又は両方を有してもよい。１つの典型的な実施形態では、堆積ステーション７２が、ウエハ上に多孔質低誘電率誘電体層のような多孔質薄膜を作るために使用され、検査ステーション７４が、上記のように、Ｘ線反射率と小角Ｘ線散乱の両方の評価を行う。この配置は、制御装置、或いはワークステーション８２を使用して、プロセスの偏差の早期検出及びウエハの生産におけるプロセスのパラメータの都合のよい調整及び評価を可能にする。
図７は、本発明のもう１つの実施形態に基づいて、半導体ウエハの製造及びそのままで検査するシステム９０の概略側面図である。システム９０は、当技術分野において公知であるように、ウエハ７７上に薄膜を作るために、堆積装置９４を含む真空チャンバ９２を有している。ウエハは、チャンバ９２内部の可動ステージ２４に取り付けられる。上記チャンバは、典型的には、Ｘ線窓９６を有しており、上記窓は、上記米国特許出願公開第２００１／００４３６６８Ａ１号に記載されている形式であってもよい。Ｘ線源２６は、上記のように、窓９６の１つを介してウエハ７７上の領域２８を照射する。図１に示したシャッタ、ナイフエッジ、及びスリットは、簡略化のために図７から省略されているが、典型的には、この種の要素は、線源２６の中へ、又はチャンバ９２内部に一体化される。
領域２８から反射される、又は散乱されるＸ線は、窓９６のもう１つを介して検出器アセンブリ３０の中のアレイ３２により受け取られる。アレイは、典型的には、Ｘ線反射率又は小角Ｘ線散乱測定のどちらかを行うために、垂直及び水平の方向の間で回転させられ得る。処理装置４０は、検出器アセンブリ３０から信号を受け取り、チャンバ９２内部で生産中に薄膜層の特性を評価するために信号を処理する。この評価の結果は、システム９０により作り出される膜が、厚さ、密度及び多孔質等の所望の特性を有するように堆積装置９４を制御するのに使用され得る。
上記の実施形態は、半導体ウエハ上の低誘電率誘電体層の多孔質特性を決定することを主に取り扱っているが、本発明の原理が、他の形式の放射線に基づく分析における場合と同様に、Ｘ線だけでなく、他の電離放射線バンドも使用して、他のＸ線反射率及び散乱の用途においても同様に使用され得る。従って、当然のことながら、上述の実施形態は、一例として引用されており、本発明は、上記に示され記載されているものに特に限定されるものではないことが理解されるであろう。それどころか、本発明の範囲は、上記記載を読んだ場合に当業者に明らかである、また、従来技術に開示されていない変形及び変更はもちろん、上記に記載されている様々な特徴の組み合わせ及び部分的組み合わせ(subcombination)の両方を有する。
本発明の１つの実施形態に係るＸ線反射率及び散乱測定用システムの概略側面図である。 小角Ｘ線散乱測定用に使用される配置における図１のシステムの概略平面図である。 本発明の１つの実施形態に係るＸ線反射率用に配列された検出器アレイの概略正面図である。 本発明の１つの実施形態に係る小角Ｘ線散乱用に配列された検出器アレイの概略正面図である。 本発明の１つの実施形態に係る小角Ｘ線散乱測定用に使用される仰角範囲の選択を示すＸ線反射率測定の概略プロットである。 本発明の１つの実施形態に係るベアシリコンウエハにおける及び多孔質誘電体層により覆われたウエハにおける方位角に応じて測定されるＸ線散乱の概略プロットである。 本発明の１つの実施形態に係る図５Ａの散乱測定間の差分及びその差分のパラメトリック曲線への適合を示す概略プロットである。 本発明の１つの実施形態に係る検査ステーションを有する半導体装置の製造用クラスターツールの概略平面図である。 本発明の１つの実施形態に係るＸ線検査性能を備えた半導体処理チャンバの概略側面図である。
符号の説明
２０ システム
２２ 試料
２４ 可動ステージ
２６ Ｘ線源
２７ 入射ビーム
２８ 小領域
２９ 反射ビーム
３０ 検出器アセンブリ
３２ 素子アレイ
３４ 窓
３６ ナイフエッジ
３８ シャッタ
３９ スリット
４０ 処理装置
４２ プロファイル
４６ 検出素子
５０ 上部曲線
５２ 下部曲線
６０ 上部曲線
６２ 下部曲線
６４ データ点
６６ 曲線
７０ クラスターツール
７２ 堆積ステーション
７４ 検査ステーション
７６ 他のステーション
７７ ウエハ
７８ ロボット
８０ コントローラ
８２ ワークステーション
９０ システム
９２ 真空チャンバ
９４ 堆積装置
９６ Ｘ線窓

Claims (23)

  1. 試料の検査用装置において、
    試料の表面上の領域を照射するのに適した放射線源と、
    放射線源による上記領域の照射に起因する表面からの放射線を受け取るように、また、受け取られた放射線に反応する信号を発生させるように配置される検出素子アレイであって、表面に垂直な第１軸に沿って受け取られた放射線を分析する第１の作動上の配置、及び表面に平行な第２軸に沿って受け取られた放射線を分析する第２の作動上の配置をとる上記アレイを有する検出器アセンブリと、
    表面に対する仰角に応じて表面の反射率を決定すべく第１の作動上の配置の検出器アセンブリからの信号を処理するために、また、表面の平面における方位角に応じて表面の散乱プロファイルを決定すべく第２の作動上の配置の検出器アセンブリからの信号を処理するために連結される信号処理装置と、を有することを特徴とする試料の検査用装置。
  2. 上記放射線源が、上記領域の方へＸ線ビームを放射するのに適したＸ線源を備え、また、上記検査用装置が、上記アレイが第１又は第２の作動上の配置にあるかに依存するビームの横寸法を調整するのに適したＸ線光学部品を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 上記Ｘ線光学部品が、上記アレイが上記第１の作動上の配置にある場合には、試料の表面の上記領域に収束する円錐状放射線を規定するためにビームを調節するように、また、上記アレイが上記第２の作動上の配置にある場合には、実質的にビームを平行にするように適合させられることを特徴とする請求項２記載の装置。
  4. 上記Ｘ線光学部品が、上記試料の表面に対する角度範囲を調節するために調整可能であるシャッタアセンブリを有し、その内部で上記Ｘ線ビームが上記表面に入射することを特徴とする請求項２記載の装置。
  5. 上記信号処理装置が、上記試料の基板の上にある表面層に起因する上記散乱プロファイルを決定するように適合させられ、上記シャッタアセンブリが、上記Ｘ線ビームが上記表面に入射する角度範囲が表面層から外部への全反射の第１臨界角により、また、上記基板から外部への全反射の第２臨界角によりほぼ拘束されるように調節可能であり、上記第２臨界角が上記第１臨界角より大きいことを特徴とする請求項４記載の装置。
  6. 上記検出素子アレイが、アレイ軸を有し、上記アレイが、上記アレイ軸が第１の作動上の配置において表面に垂直であるように、また、上記アレイ軸が第２の作動上の配置において表面に平行であるように回転可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
  7. 上記アレイが、リニアアレイを有し、上記検出素子が、上記アレイ軸に垂直でありアレイのピッチよりかなり大きい横寸法を有することを特徴とする請求項６記載の装置。
  8. 上記アレイが、上記検出素子の２次元マトリクスを有し、上記検出器アセンブリが、上記アレイ軸に垂直な方向に沿って上記アレイのそれぞれの列における上記検出素子のビニングを行うように適合させられることを特徴とする請求項６記載の装置。
  9. 上記アレイが、上記検出素子の２次元マトリクスを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
  10. 上記信号処理装置が、上記試料の基板の上にある多孔質表面層に起因する反射率及び散乱プロファイルを決定するように、また、反射率及び散乱プロファイルに基づいて、多孔質表面層内部に位置する孔の１つ若しくはそれ以上の特性を評価するように適合させられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
  11. 上記１つ若しくはそれ以上の特性が、上記孔の密度及び平均サイズを有することを特徴とする請求項１０記載の装置。
  12. 試料の検査用方法において、
    試料の表面上の領域を照射するステップと、
    放射線源による上記領域の照射に起因する表面からの放射線を受け取り、受け取られた放射線に反応する第１信号を発生させるために、上記表面に垂直な第１軸に沿って受け取られた放射線を分析する第１の作動上の配置に検出素子アレイを配列するステップと、
    放射線源による上記領域の照射に起因する表面からの放射線を受け取り、受け取られた放射線に反応する第２信号を発生させるために、上記表面に平行な第２軸に沿って受け取られた放射線を分析する第２の作動上の配置に検出素子アレイを配列するステップと、
    上記表面に対する仰角に応じて表面の反射率を決定するために第１信号を処理するステップと、
    上記表面の平面における方位角に応じて上記表面の散乱プロファイルを決定するために第２信号を処理するステップと、を有することを特徴とする試料の検査用方法。
  13. 上記領域を照射するステップが、上記領域の方へＸ線ビームを指向させるステップと、上記アレイが第１又は第２の作動上の配置にあるかに依存するビームの横寸法を調整するステップと、を有することを特徴とする請求項１２記載の方法。
  14. 上記ビームを指向させるステップが、上記アレイが第１の作動上の配置にある場合には、円錐状光線を上記領域に収束するように指向させるステップを有し、上記横寸法を調整するステップが、上記アレイが第２の作動上の配置にある場合には、実質的にビームを平行にするステップを有することを特徴とする請求項１３記載の方法。
  15. 上記横寸法を調節するステップが、上記アレイが第２の作動上の配置にある場合には、Ｘ線ビームが上記表面に入射する角度範囲が、上記試料の基板に上にある表面層から外部への全反射の第１臨界角により、また、上記基板から外部への全反射の第２臨界角によりほぼ拘束されるように横寸法を制限するステップを有し、上記第２臨界角が上記第１臨界角より大きいことを特徴とする請求項１３記載の方法。
  16. 上記第１信号を処理するステップが、上記アレイが第２の作動上の配置にある場合には、上記ビームの横寸法を調整するのに使用するために、第１及び第２臨界角を決定するステップを有することを特徴とする請求項１５記載の方法。
  17. 上記検出素子アレイが、アレイ軸を有し、上記第１の作動上の配置に上記アレイを配列するステップが、上記第１の作動上の配置において上記表面に垂直なアレイ軸を位置調整するステップを有し、上記第２の作動上の配置に上記アレイを配列するステップが、上記アレイ軸が第２の作動上の配置において上記表面に平行であるように上記アレイを回転するステップを有することを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載の方法。
  18. 上記アレイが、上記検出素子の２次元マトリクスを有し、上記第１の作動上の配置に上記アレイを配列するステップが、上記表面に平行な方向に沿って上記アレイのそれぞれの列における上記検出素子のビニングを行うステップを有し、上記第２の作動上の配置に上記アレイを配列するステップが、上記表面に垂直な方向に沿って上記アレイのそれぞれの列における上記検出素子のビニングを行うステップを有することを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載の方法。
  19. 上記第１及び第２信号を処理するステップが、上記試料の基板の上にある多孔質表面層に起因する反射率及び散乱プロファイルを決定するステップと、反射率及び散乱プロファイルに基づいて、上記多孔質表面層内部に位置する孔の１つ若しくはそれ以上の特性を評価するステップと、を有することを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載の方法。
  20. 上記１つ若しくはそれ以上の特性が、上記孔の密度及び平均サイズを含んでいることを特徴とする請求項１９記載の方法。
  21. 上記領域を照射するステップが、ウエハの表面に薄膜層を堆積するために使用されるチャンバ内部で半導体ウエハを照射するステップを有し、第１及び第２の作動上の配置に検出素子アレイを配列するステップが、上記チャンバ内部でウエハの表面から放射線を受け取るステップを有することを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載の方法。
  22. マイクロ電子デバイスを製造するクラスターツールにおいて、上記クラスターツールが、堆積ステーションと、検査ステーションと、信号処理装置と、を有し、
    上記堆積ステーションが、半導体ウエハの表面に薄膜層を堆積するように適合させられ、
    上記検査ステーションが、
    ウエハの表面上の領域を照射するのに適した放射線源と、
    放射線源による上記領域の照射に起因する表面から放射線を受け取るように、また、受け取られた放射線に反応する信号を発生させるように配置される検出素子アレイであって、表面に垂直な第１軸に沿って受け取られた放射線を分析する第１の作動上の配置及び表面に平行な第２軸に沿って受け取られた放射線を分析する第２の作動上の配置をとる上記アレイを備えた検出器アセンブリと、を有し、
    上記信号処理装置が、堆積ステーションにより堆積された薄膜層の品質を評価できるように、表面に対する仰角に応じて表面の反射率を決定すべく第１の作動上の配置の検出器アセンブリからの信号を処理するために、また、表面の平面における方位角に応じて表面の散乱プロファイルを決定すべく第２の作動上の配置の検出器アセンブリからの信号を処理するために連結されることを特徴とするマイクロ電子デバイスを製造するクラスターツール。
  23. マイクロ電子デバイス製造用装置において、
    半導体ウエハを受け取るのに適した製造チャンバと、
    上記チャンバ内部で半導体ウエハの表面上に薄膜層を堆積するのに適した堆積装置と、
    上記チャンバ内部でウエハの表面の領域を照射するのに適した放射線源と、
    放射線源による領域の照射に起因する表面からの放射線を受け取るように、また、受け取られた放射線に反応する信号を発生させるように配置された検出素子アレイであって、表面に垂直な第１軸に沿って受け取られた放射線を分析する第１の作動上の配置及び表面に平行な第２軸に沿って受け取られた放射線を分析する第２の作動上の配置をとる上記アレイを有する検出器アセンブリと、
    堆積ステーションにより堆積された薄膜層の品質を評価できるように、表面に対する仰角に応じて表面の反射率を決定すべく第１の作動上の配置の検出器アセンブリからの信号を処理するために、また、表面の平面における方位角に応じて表面の散乱プロファイルを決定すべく第２の作動上の配置の検出器アセンブリからの信号を処理するために連結される信号処理装置と、を有することを特徴とするマイクロ電子デバイス製造用装置。
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