JP2006153767A - Ｘ線薄膜検査装置と、プロダクトウエーハの薄膜検査装置およびその方法 - Google Patents

Ｘ線薄膜検査装置と、プロダクトウエーハの薄膜検査装置およびその方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 成膜製品の製造工程に組み込み、製品を製造ラインから抜き取ることなく、薄膜検査を実施可能とする。
【解決手段】 検査対象を配置する試料台１０と、試料台１０を移動する位置決め機構２０と、第１，第２の旋回アーム３２，３３を備えたゴニオメータ３０と、第１の旋回アーム３１に搭載され、かつシールドチューブ内にＸ線管およびＸ線光学素子を内蔵したＸ線照射ユニット４０と、第２の旋回アーム３３に搭載されたＸ線検出器５０と、試料台１０に配置された検査対象を画像認識するための光学カメラ７０とを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体製造分野等、基板上に多数の薄膜を積層した多層膜構造の素子を製造する技術分野に好適なＸ線薄膜検査装置に関する。
半導体等、基板上に多数の薄膜を積層した多層膜構造の素子は、成膜する薄膜の膜厚、密度、結晶性などの状態によって特性が変化する。近年、これらの素子の微細化・集積化が進み、その傾向は顕著になってきている。このため、成膜した薄膜の状態を、正確に測定できる薄膜検査装置が求められている。
この種の検査装置として、従来より断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）による直接計測や、光干渉やエリプソメトリを利用した膜厚検査装置や、光音響式装置などが知られている。断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）では、インライン製造工程に組み込みリアルタイムに検査対象の薄膜を検査することができず、しかも検査用に製造ラインから抜き取った製品は、検査後に廃棄されているのが実情であった。また、光干渉やエリプソメトリを利用した膜厚検査装置や、光音響式装置はインラインには適するが、数ｎｍの薄い膜の測定には精度が不足している。
半導体デバイスメーカーにとっては、使い捨てにされる検査用ウエーハ（ブランケットウエーハ）が、コスト面で大きな負担となっている。特に、近年では半導体ウエーハの大口径化が進展しており、一枚のブランケットウエーハにかかるコストも高価格化してきている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、成膜製品の製造工程に組み込み、製品そのものを直接検査し、ウェーハを使い捨てることなく数ｎｍの薄い膜でも充分な精度で検査可能とすることを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のＸ線薄膜検査装置は、
検査対象を上面に配置する試料台と、
試料台の上面に配置された検査対象の画像を認識する画像認識手段と、
画像認識手段による検査対象の画像認識結果に基づき制御され、試料台を水平面上で直交する２方向、高さ方向、および面内回転方向に移動させる位置決め機構と、
試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する第１，第２の旋回部材を備えたゴニオメータと、
第１の旋回部材に搭載され、かつＸ線管およびＸ線光学素子をユニット本体内に内蔵するＸ線照射ユニットと、
第２の旋回部材に搭載されたＸ線検出器と、
を備えたことを特徴とする。
ここで、Ｘ線照射ユニットのＸ線光学素子は、Ｘ線管から放射されたＸ線を、あらかじめ設定した測定位置へ２００μｍ径以下の断面に収束する機能を有していることが好ましい。
また、Ｘ線照射ユニットは、ユニット本体内でＸ線管から放射されたＸ線をＸ線光学素子に導く軌道を遮断又は開放するシャッターを備えており、かつこのシャッターの周囲に気体流路を形成した構成とすることができる。
Ｘ線検出器は、Ｘ線強度を減衰せしめる手段を使用せずにＸ線検出素子１画素で10,000,000カウント毎秒以上のＸ線強度を測定できるアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photo Diode）により構成することが好ましい。
さらに本発明は、第１の旋回部材に、複数のＸ線照射ユニットを旋回方向に並べて搭載した構成とすることもできる。
複数のＸ線照射ユニットは、それぞれ波長の異なるＸ線を発生するＸ線管を内蔵していることが好ましい。
また、Ｘ線の照射により検査対象から発生する蛍光Ｘ線を検出する蛍光Ｘ線検出器を備えてもよい。
上記画像認識手段は、光学カメラと、この光学カメラが捉えた画像を認識する画像認識回路とを含む構成とすることができる。
光学カメラと蛍光Ｘ線検出器とは試料台の上方に配設し、これら光学カメラおよび蛍光Ｘ線検出器を選択して、所定の測定位置と対向する位置へ移動させる機器交換機構を備えた構成とすることもできる。
この場合、光学カメラ、蛍光Ｘ線検出器、および機器交換機構を被覆するカバーを設け、カバーには、光学カメラの視野に対向する位置に透過窓を形成し、かつ、カバー内部の気体を排気手段で排気する構成とすることが好ましい。
さらに、本発明は、プロダクトウエーハを検査対象とするＸ線検査装置であって、
プロダクトウエーハに形成された半導体素子の微小な薄膜パターンを被測定部位として、画像認識手段からの認識結果に基づき位置決め機構を制御し、当該被測定部位を所定の測定位置へ位置決めするとともに、当該被測定部位の薄膜検査を実行する制御手段を備えたことを特徴とする。
ここで、制御手段は、さらに画像認識手段からの認識結果に基づき位置決め機構を制御し、被測定部位の長手方向を、Ｘ線照射ユニットからのＸ線入射方向に合わせて配置する構成とすることができる。
制御手段は、被測定部位の検査結果が、あらかじめ設定した正常と判断される範囲を逸脱した場合、さらに同じ半導体素子の同一薄膜パターンを被測定部位として薄膜検査を実行する構成としてもよい。
制御手段は、被測定部位の検査結果が、あらかじめ設定した正常と判断される範囲を逸脱した場合、さらにプロダクトウエーハの別の部位に形成された半導体素子の同一薄膜パターンを被測定部位として、画像認識手段からの認識結果に基づき位置決め機構を制御し、当該被測定部位を所定の測定位置へ位置決めするとともに、当該被測定部位の薄膜検査を実行する構成とすることもできる。
また、本発明のプロダクトウエーハ薄膜検査装置は、上述した構成のＸ線薄膜検査装置と、
半導体製造プロセスにて薄膜形成された半導体ウエーハを、一枚ずつＸ線薄膜検査装置の試料台へ搬送する搬送ロボットと、
これらＸ線薄膜検査装置および搬送ロボットを収納する装置カバーと、を備えたことを特徴とする。
また、上述したＸ線薄膜検査装置を用いた本発明のプロダクトウエーハ薄膜検査方法は、プロダクトウエーハに形成された半導体素子の微小な薄膜パターンを被測定部位として、当該被測定部位をＸ線薄膜検査装置の測定位置へ位置決めし、当該被測定部位の薄膜検査を実行することを特徴とする。
ここで、本発明のプロダクトウエーハ薄膜検査方法は、被測定部位の長手方向を、Ｘ線照射ユニットからのＸ線入射方向に合わせて配置し、当該被測定部位の薄膜検査を実行することが好ましい。
被測定部位の検査結果が、あらかじめ設定した正常と判断される範囲を逸脱した場合には、さらに同じ半導体素子の同一薄膜パターンを被測定部位として薄膜検査を実行することが好ましい。また、被測定部位の検査結果が、あらかじめ設定した正常と判断される範囲を逸脱した場合には、さらにプロダクトウエーハの別の部位に形成された半導体素子の同一薄膜パターンを被測定部位として薄膜検査を実行することもできる。
上述した構成の本発明によれば、成膜製品の製造工程に組み込み、製品そのものを直接検査し、ウェーハを使い捨てることなく数ｎｍの薄い膜でも充分な精度で検査することが可能となる。
以下、本発明を半導体ウエーハの薄膜検査に適用した実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、本発明は、半導体ウエーハの薄膜検査に限定されるものではなく、基板上に多数の薄膜を積層した多層膜構造を有する各種素子等の薄膜検査に適用できることは勿論である。
〔Ｘ線薄膜検査装置の構成〕
図１および図２は、本実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の全体構造をそれぞれ異なった視野から見た斜視図、図３は同装置の正面図である。
Ｘ線薄膜検査装置は、試料台１０、位置決め機構２０、ゴニオメータ３０、Ｘ線照射ユニット４０、Ｘ線検出器５０、蛍光Ｘ線検出器６０、ＣＣＤカメラ等からなる光学カメラ７０を備えている。
試料台１０は、検査対象となる半導体ウエーハを配置する平盤で構成されており、位置決め機構２０によって支持されている。位置決め機構２０は、水平面内の直角２方向（Ｘ，Ｙ方向）へ移動自在な水平移動機構と、上下方向（Ｚ方向）へ移動自在な昇降機構と、面内回転機構とを含み、試料台１０をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させるとともに面内回転させて、その上面に配置された半導体ウエーハにおける任意の被測定部を、後述する照射Ｘ線の収束位置へ所定の向きに位置決めする機能を有している。
ゴニオメータ３０は、ゴニオメータ本体３１に、第１，第２の旋回アーム（旋回部材）３２，３３を搭載している。各旋回アーム３２，３３は、図３の紙面に垂直な軸（θ軸）を中心に、試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する。第１の旋回アーム３２には、複数台（図では３台）のＸ線照射ユニット４０が旋回方向に並べて搭載してある。また、第２の旋回アーム３３にはＸ線検出器５０が搭載してある。
なお、第１の旋回アーム３２に搭載するＸ線照射ユニット４０の台数は、用途に応じて任意に設定することができる。例えば、第１の旋回アーム３２に１台、２台、または４台以上のＸ線照射ユニット４０を搭載した構成としてもよい。
Ｘ線照射ユニット４０は、図４及び図５に示すように、チューブシールド（ユニット本体）４１内にＸ線管４２とＸ線光学素子４３とを内蔵したモジュール構成として小形軽量化を実現している。チューブシールド４１は、Ｘ線を遮蔽する金属材料で構成してあり、Ｘ線管４２を内蔵する第１チューブ４１ａと、Ｘ線光学素子４３を内蔵する第２チューブ４１ｂとに分割されている。各チューブ４１ａ，４１ｂは、ボルト等の締結手段によって連結され一体化する。
チューブシールド４１内には、Ｘ線管４２から放射されたＸ線を出口へ導くＸ線通路が形成してあり、このＸ線通路の中間部にシャッター４５が設けてある。シャッター４５は、回転により開閉する構成となっている。シャッター４５の周囲には、図６に拡大して示すように、流体通路４６が形成してあり、この流体流路４６に図示しない気体供給源から空気、窒素、アルゴンガス等の気体を供給し流動させることで、シャッター４５の表面にＮＯｘなどの副生成物が付着することを抑制している。これにより、シャッター４５の腐食を防止することができる。
Ｘ線管４２には、例えば、ターゲット上での電子線焦点サイズがφ３０μｍ程度で、出力が２５Ｗ程度の微小焦点Ｘ線管球を用いることができる。ターゲット材料は、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）など、必要に応じて選択することができる。他にも、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）等が使用される。例えば、第１の旋回アーム３２に、それぞれターゲット材料の異なるＸ線管４２を内蔵した複数のＸ線照射ユニット４０を搭載することもできる。
Ｘ線光学素子４３としては、Ｘ線管４２から発生したＸ線を所定の収束位置に集光させるコンフォーカルミラーを用いている。コンフォーカルミラーは、２枚または４枚の多層膜ミラーによって構成される。図４及び図５は多層膜ミラーが２枚の構成例を示し、図７は多層膜ミラーが４枚の構成例を示している。このコンフォーカルミラーは、Ｘ線管４２で発生したＸ線を効率よく反射集光するとともに、Ｘ線を単色化することができる。例えば、Ｘ線管４２がＣｕターゲットのときにはＣｕΚα、ＭｏターゲットのときにはＭｏΚαにＸ線を単色化することができる。なお、単色化するＸ線の波長に応じて、多層膜ミラーを適宜選択して用いることが好ましい。
ここで、図８および図９を参照して、２枚構成のコンフォーカルミラーについて更に詳細に説明する。
図８に示すコンフォーカルミラー４３は、人工多層膜で形成された放物面形状の第１の反射面４３ａを有する第１のミラーと、人工多層膜で形成された放物面形状の第２の反射面４３ｂを有する第２のミラーとを、その側縁のところで約９０度の角度をもって互いに接合したものであり、いわゆるサイド・バイ・サイド（side-by-side）の構造の多層膜ミラーである。
このコンフォーカルミラー４３を使うことで、Ｘ線管のＸ線焦点ａから出射されたＸ線ビーム（発散していくビームである）を、ＸＹ平面内においても、ＹＺ平面内においても、平行化することができる。最初に第１の反射面４３ａで反射したＸ線は、さらに、第２の反射面４３ｂで反射して出ていく。一方、最初に第２の反射面４３ｂで反射したＸ線は、さらに、第１の反射面４３ａで反射して出ていく。第１の反射面４３ａはＸＹ平面内でＸ線を平行化するものであり、第２の反射面４３ｂはＹＺ平面内でＸ線を平行化するものである。
Ｘ線焦点ａから発散するＸ線ビームを放物面で集めて平行化しているので、輝度の高い平行ビームが得られる。このような構成のコンフォーカルミラー４３とマイクロフォーカスＸ線管を用いると、試料に入射する直前の入射Ｘ線のビーム断面形状は、例えば、１ｍｍ×０．１ｍｍになる。ＸＹ平面及びＹＺ平面におけるＸ線ビームの発散角は０．０３度以下である。
図９に示すコンフォーカルミラー４３’は、二つの反射面４３ａ’、４３ｂ’を楕円弧面形状としている。こうすると、ＸＹ平面内とＹＺ平面内において、Ｘ線は試料表面上で集束するような集束ビームとなる。図９のコンフォーカルミラーの方が、図８に示したコンフォーカルミラーよりも、発散角は大きくなるが入射Ｘ線強度がかせげる。このコンフォーカルミラー４３’とマイクロフォーカスＸ線管を用いると、試料に入射する直前の入射Ｘ線のビーム断面形状は、例えば、０．０５ｍｍ×０．０５ｍｍになる。このとき、多層膜ミラーの全体を使うと仮定すると、発散角は１度程度と大きくなるが、ＸＹ平面内でのビームの平行化を図るためにスリットで発散角を規制すると、発散角を０．０５度程度にして反射率を測定することができる。
Ｘ線照射ユニット４０を上述したように構成することで、ターゲット上での電子線焦点サイズがφ３０μｍ程度で、出力が２５Ｗ程度の微小焦点Ｘ線管球を用いて、φ１００μｍ程度の微小焦点に１０７ｃｐｓ以上の強い強度のＸ線を集光させることが可能となる。
Ｘ線の収束位置は半導体ウエーハの測定位置に合わせてあり、この収束位置に、上記位置決め機構２０をもって半導体ウエーハ内の任意の被測定部位が位置決めされる。なお、測定位置は、ゴニオメータ３０のθ軸上に設定してある。
また、図１乃至図３に示したように、第１の旋回アーム３２に、複数台（図では３台）のＸ線照射ユニット４０を旋回方向へ並べて搭載することで、第１の旋回アーム３２を旋回させるだけで、複数台のＸ線照射ユニット４０を選択するとともに、選択したＸ線照射ユニット４０を測定位置に対して任意の角度で高精度に位置決めすることができる。
例えば、本装置によりＸ線反射率測定を実施する場合は、所望のＸ線を発生するＸ線照射ユニット４０を選択し、測定対象である半導体ウエーハに対し表面すれすれの低角度でＸ線を照射するように、選択したＸ線照射ユニット４０を配置すればよい。また、通常のＸ線回折測定を実施する場合は、選択したＸ線照射ユニット４０の位置を逐次移動させて、半導体ウエーハに対するＸ線の入射角度を適宜変更していく。さらに、後述するごとくアルミニウム薄膜を測定対象として蛍光Ｘ線測定を実施する場合は、測定対象に対して低角度でＸ線を照射するように、選択したＸ線照射ユニット４０を配置すればよい。
本実施形態のＸ線薄膜査装置によれば、これらＸ線照射ユニット４０の選択と位置決めが、第１の旋回アーム３２を旋回移動させるだけで高精度に行うことができる。
さらに、第１の旋回アーム３２にＸ線照射ユニット４０を搭載する構成によれば、第１の旋回アーム３２を旋回させるだけで、Ｘ線反射率測定において角度走査測定を行うことが可能となる。下記の特許文献１には、湾曲結晶分光器を用いて数度の反射角度を一度に測定する例が記載されているが、この方法では反射Ｘ線以外の散乱Ｘ線がＸ線検出器に入り、測定データの質を劣化させるため、特に薄い膜の測定が困難であった。これに対し、本実施形態のＸ線薄膜検査装置によれば、角度走査測定によるＸ線反射率測定が実行できるので、Ｘ線検出器５０への散乱Ｘ線の入射を抑制でき、高精度な測定データを取得することが可能である。
特表２００３−５２９０４７号公報
Ｘ線検出器５０は、Ｘ線反射率測定（ＸＲＲ）やＸ線回折測定（ＸＲＤ）に用い、蛍光Ｘ線検出器６０は、蛍光Ｘ線測定（ＸＲＦ）に用いる。Ｘ線反射率測定によれば、膜表面での反射Ｘ線と、膜と基板との界面での反射Ｘ線の干渉を測定して膜厚や密度を導くため、膜厚でオングストロームオーダーの測定精度が得られる。また、蛍光Ｘ線測定によれば、比較的厚い配線膜の測定を高精度に行うことができる。本実施形態のＸ線薄膜検査装置は、これらＸ線反射率測定と蛍光Ｘ線測定に加え、必要に応じてＸ線回折測定も実施できるようになっている。
Ｘ線検出器５０としては、入射Ｘ線に対するダイナミックレンジの広いアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いることが好ましい。Ｘ線検出器５０としてＡＰＤを用いた場合、検出ダイナミックレンジが広いので、強度の強いＸ線が入射した場合でも、その強度を減衰させるためのアッテネータが不要となり、測定時間の大幅な短縮を図ることが可能となる。
このように、Ｘ線検出器５０としてＡＰＤを用いた場合、アッテネータを挿入してＸ線を減衰させ測定する必要がないので、データを取得する時間が短くなり、１次元アレイ検出器を用いた検査方法と同程度の時間で測定が可能である。
図１０にＡＰＤを用いた測定例を示す。０度から３度の角度範囲を３００秒、１５秒、６秒、３秒でそれぞれ測定した例を示す。また、図１１にそれぞれのデータを用いた解析結果を示す。これら図１０及び図１１から３秒の測定でも充分な検査ができることが解る。
ここで、Ｘ線検出器の計数率と、測定時のダイナミックレンジについて説明する。
図１２はＸ線検出器に入射するＸ線強度（単位はｃｐｓ）と、Ｘ線検出器の出力である計数率（単位はｃｐｓ）との関係を模式的に示したグラフである。
入射Ｘ線の強度が非常に大きくなると計数率が飽和することになる。その飽和計数率が測定可能な上限計数率である。図１２で上限値と表示したものであり、この例は、１０７ｃｐｓである。
一方、入射Ｘ線強度が非常に小さくなると測定が不能になるが、その下限を決めるものとして二つの要因がある。第１の要因は、１点当たりの測定時間であり、第２の要因は、Ｘ線検出器のノイズレベルである。
まず、第１の要因について説明すると、１点当たりの測定時間が例えば１０ミリ秒と非常に短い場合、最低１個のＸ線光子を計数するためには、１カウント÷１０ミリ秒＝１００ｃｐｓのＸ線強度が必要になる。これよりもＸ線強度が低くなると、測定時間中に１個のＸ線光子をカウントするか、１個もＸ線光子をカウントしないか、のどちらかであって、どちらの場合も、実際のＸ線強度がいくらであるのか、判定不能である。
したがって、Ｘ線検出器としては、１００ｃｐｓ以下の測定結果は得られないことになり、その意味で、この測定限界を、図１２において１０ミリ秒の水平線で表している。このときの計数率の下限値は１００ｃｐｓとなる。同様に、１点当たりの測定時間が１００ミリ秒のときは、下限計数率は１０ｃｐｓであり、１点当たりの測定時間が１０００ミリ秒（１秒）のときは、下限計数率は１ｃｐｓとなる。
次に、第２の要因について説明する。Ｘ線検出器には固有のノイズレベルがあり、それよりも低い入射Ｘ線強度は、ノイズレベルに隠れて検出できない。図１２のグラフは、ノイズレベルが約１ｃｐｓの例であり、これよりも低い入射Ｘ線強度は検出できない。結局、ノイズレベルに相当する計数率と、１点当たりの測定時間で決まる下限計数率のうちの大きいほうが、その測定における下限計数率となる。図１２のグラフで言うと、１点当たりの測定時間が１０００ミリ秒以下の場合は、１点当たりの測定時間によって定まる下限計数率が、その測定における下限計数率となる。逆に、１点当たりの測定時間が１０００ミリ秒を超えると、ノイズレベルのところが下限計数率となり、下限計数率は測定時間には依存しなくなる。図１２の実線のグラフは、１点当たりの測定時間が１０ミリ秒のときの計数率のグラフである。このとき、上限値は１０７ｃｐｓ、下限値は１００ｃｐｓであって、測定可能なダイナミックレンジは５桁を確保できている。
図１３のグラフは、ノイズレベルが約０．０１ｃｐｓと非常に低いＸ線検出器を使った場合の、図１２と同様のグラフである。この場合は、１点当たりの測定時間をかなり長くしていっても、それによる下限計数率がノイズレベルを下回ることはない。図１３のグラフの実線は、１点当たりの測定時間が１００秒以上のときの計数率のグラフである。１点当たりの測定時間が１００秒になると、それによる下限計数率は０．０１ｃｐｓとなり、ここでやっとノイズレベルとほぼ同等になる。このように、ノイズレベルの低いＸ線検出器を使うと、１点当たりの測定時間を長くすることで下限計数率を非常に低い値まで下げることができ、それによってダイナミックレンジを非常に大きくすることができる。図１３の例では、上限計数率が１０７ｃｐｓで、下限計数率が０．０１ｃｐｓなので、測定可能なダイナミックレンジは１０９となる。
ＡＰＤは、上限計数率が１０８ｃｐｓであり、かつ、ノイズレベルが０．００２ｃｐｓである。したがって、このＡＰＤを使用して、１点当たりの測定時間を短くして、反射率測定の所要時間を数秒程度に短縮することもできるし、１点当たりの測定時間を長くして、非常に大きなダイナミックレンジで反射率曲線を測定することもできる。
図１乃至図３に戻り、試料台１０の上方には、機器交換機構８０が設けてあり、この機器交換機構８０により蛍光Ｘ線検出器６０と光学カメラ７０を選択して、入射Ｘ線の収束位置（測定位置）の対向位置へ配置する構成となっている。
これら試料台１０の上方に位置する構成要素は、図１４に示すように、カバー８５によって被覆され、機器移動交換時に発生するおそれのある塵埃が、試料台１０に配置した検査対象の上に落下することを防止してある。なお、カバー８５には、光学カメラ７０の視野を開放する透過窓が底面に形成してある。さらに、カバー８５内は、図示しない排気装置によって排気され、これにより窓からの塵埃落下も防止される。
光学カメラ７０は、焦点が入射Ｘ線の収束位置（すなわち、測定位置）に合うようあらかじめ調整してある。試料台１０上に配置された半導体ウエーハは、この光学カメラ７０を通して後述する画像認識回路で画像認識される。そして、画像認識回路による画像認識結果に基づき、位置決め機構２０が駆動制御され、これにより半導体ウエーハの任意の被測定部位を、正確に入射Ｘ線の収束位置（測定位置）へ位置決めすることが可能となる。ここで、位置決め機構２０を昇降させて半導体ウエーハの被測定部位を光学カメラ７０の焦点に合致させる機構を作用したので、その高さ方向の位置決めと画像認識とを同時に処理することができ、動作時間の大幅な短縮を図ることができる。
図１５は本実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の制御系を示すブロック図である。
Ｘ線照射ユニット４０に組み込まれたＸ線管４２への高圧電源４７の供給、およびシャッター４５の開閉操作は、ＸＧコントローラ１０１が実行する。また、光学カメラ７０が捉えた画像は、画像認識回路１０２で画像認識される。なお、光学カメラ７０の焦点位置はフォーカスコントローラ１０３によって調整される、既述したように光学カメラ７０の焦点は、入射Ｘ線の収束位置（すなわち、測定位置）に合わせられる。位置決めコントローラ１０４は、画像認識回路１０２による画像認識結果に基づいて位置決め機構２０を駆動制御する。機器交換機構８０は、機器交換コントローラ１０５により駆動制御され、ゴニオメータ３０は、ゴニオコントローラ１０６によって駆動制御される。
ＸＧコントローラ１０１、画像認識回路１０２、フォーカスコントローラ１０３、位置決めコントローラ１０４、機器交換コントローラ１０５、ゴニオコントローラ１０６は、中央処理装置（ＣＰＵ）１００からの設定情報に基づいてそれぞれの作動する。また、Ｘ線検出器５０と蛍光Ｘ線検出器６０は、それぞれ計数制御回路１０７，１０８によって制御される。これら各コントローラ、ＣＰＵ、計数制御回路が、Ｘ線薄膜検査装置の制御手段を構成している。
図１６はＸ線薄膜検査を実行する際の制御フローチャートである。
試料台１０上に検査対象となる半導体ウエーハを配置した後、まず半導体ウエーハの被測定部位を測定位置へ位置決めする（ステップＳ１）。この位置決めは、位置決め機構２０の駆動制御をもって実行される。すなわち、光学カメラ７０が試料台１０上の半導体ウエハを捉え、画像認識回路１０２で画像認識し、当該認識結果に基づいて位置決めコントローラ１０４が位置決め機構２０を駆動制御する。位置決め機構２０は、水平２方向（Ｘ−Ｙ方向）および高さ方向（Ｚ方向）に移動して、半導体ウエーハの被測定部位を測定位置へ配置する。
半導体ウエーハに形成される半導体素子内の微小な薄膜パターンを被測定部位とする場合は、あらかじめ検査対象である半導体ウエーハに形成された半導体素子のスクライブ・ライン、メモリー部、ダミーパターンやＩＣチップの特定部位など微小なパターンを画像認識回路１０２に記憶させておき、検査に際して検査対象である半導体ウエーハの検査対象領域を光学カメラ７０で観察し、その観察画像とあらかじめ記憶してある上記微小パターンを対比して合わせることにより、被測定部位である微小パターンであることを画像認識回路１０２が判別する。その判別結果に基づいて位置決め機構２０が被測定部位である微小パターンを被測定位置へ位置決めする。
また、上述したように半導体ウエーハに形成される半導体素子内の微小な薄膜パターンを被測定部位とする場合、その長手方向をＸ線の入射方向に合わせて配置することが好ましい。この方向合わせは、位置決め機構２０による水平２方向（Ｘ−Ｙ方向）の移動と面内回転によって、短い移動距離で実現できる。
図１７に示すように、水平２方向（Ｘ−Ｙ方向）の移動だけで位置決めと方向合わせを実行しようとした場合、半導体ウエーハの全領域に存在する被測定部位をすべて測定位置に合わせるためには、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれに半導体ウエーハの直径分だけ移動距離を確保しなければならない。このため、試料台１０の周辺構造が大形化してしまう。
本実施形態では、図１８に示すように、水平２方向（Ｘ−Ｙ方向）の移動と面内回転によって位置決めと方向合わせを実行するので、Ｘ線方向またはＹ方向への移動は、半導体ウエーハの半径分だけ移動距離を確保すればよく、その結果、試料台１０の周辺構造を小型化することが可能である。
次に、半導体ウエーハの傾き補正を行う（ステップＳ２）。この傾き補正は、図１９に示すように、半導体ウエーハを固定したまま、ゴニオメータ３０の第１，第２の旋回アーム３２，３３を旋回させて行われる。Ｘ線照射ユニット４０から半導体ウエーハへ照射されるＸ線の入射角度がθであれば、半導体ウエーハの表面からはθの角度にＸ線が反射していく。この反射Ｘ線をＸ線検出器５０で検出する。これにより、半導体ウエーハの表面に対してＸ線照射ユニット４０とＸ線検出器５０とが同じ角度位置に配置され、ここを原点としてそれぞれの角度制御を実行することが可能となる。
上述したように半導体ウエーハの被測定部を位置決めするとともに傾き補正を実行した後、Ｘ線反射率測定（ＸＲＲ）、Ｘ線蛍光測定（ＸＲＦ）、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）のいずれかをもってＸ線検査を実行し（ステップＳ３）、中央処理装置が検査データを解析して（ステップＳ４）、解析結果を出力する（ステップＳ５）。
以上の各ステップは半導体ウエーハに設定した被測定部位のすべてについて実行され（ステップＳ６）、すべての被測定部位の検査が終了した後に終了する。
〔半導体製造システム〕
次に、上述した構成のＸ線検査装置をライン上に組み込んだ半導体製造システムについて説明する。
図２０は半導体製造ラインの一部構成を示す概要図である。半導体製造ラインは、成膜装置５００によって半導体ウエーハの表面に薄膜を形成する成膜工程、薄膜上にレジストを塗布する塗布工程、回路パターンに合わせてレジストを露光する露光工程、露光処理された半導体ウエーハの現像・エッチング工程などを含んでいる。
本実施形態のＸ線検査装置による薄膜検査工程は、成膜工程の次に組み込まれ、成膜装置１０１によって成膜された半導体ウエーハをインラインで検査する。検査に用いる半導体ウエーハは、ブランケットウエーハではなく、製品となるプロダクトウエーハである。
検査は、例えば、モニタ用検査と解析用検査に分けられ、通常はモニタ用検査を実施する。モニタ用検査は、半導体ウエーハの表面に設定した任意の５〜１３箇所を被測定部位として実施される。そして、モニタ用検査によって薄膜の異常が検出されたとき、５０箇所程度に被測定部位の数を増やしてさらに解析用検査を実施し、詳細な薄膜データを得る。
そして、検査結果があらかじめ設定した正常と判断される範囲を逸脱した場合は、同一検査部位を再度検査することにより確認を行い、通信手段によって警報を発することにより半導体の製造状態が異常であることをオペレータなどに知らせる。あるいは、検査結果が予め正常と判断される範囲を逸脱した場合は、自動的に通常と異なる指定された部位を検査して、通信手段によって警報を発することにより半導体の製造状態が異常であることをオペレータに知らせる。
具体的には、得られた検査データに基づき、成膜装置が異常であるときは直ちに通信手段によって警報を発し、人手による成膜装置の点検を行うか、あるいは成膜装置の動作パラメータを変更することで正常状態に戻すフィードバック制御を行い、歩留りよい半導体ウエーハの製造を実現する。
また、検査は、成膜工程毎に半導体ウエーハに形成された半導体素子のスクライブ・ライン、メモリー部、ダミーパターンやＩＣチップの特定部位など微小なパターンを被測定部位として、その成膜工程毎に実行し、成膜をモニターする。本実施形態のＸ線薄膜検査装置は、微小焦点に強い強度のＸ線を照射できるので、狭小面積の素子部へ適切にＸ線を照射することが可能であり、特定部位の薄膜の検査が可能である。上記微小パターンの測定位置への位置決めは、上述したとおり光学カメラ７０で捉えた画像に基づき位置決め機構２０を制御して行われる。このとき、Ｘ線の入射方向に微小パターンの長手方向を合わせることが好ましい。これはＸ線反射率測定法（ＸＲＲ）が試料となるウェーハに対し微小な角度（０〜１０度）でＸ線を照射するため、Ｘ線のビーム方向に測定部位が伸長することによる。１００μｍ径のＸ線ビームを用いても約３度の角度では検査部分の長さは約２ｍｍとなる。
図２１に示すように、半導体ウエーハに形成された半導体素子２００の内部は、各種の機能を有する薄膜パターンに分割されており、それぞれの特性を得るため、異なる薄膜で形成されている。例えば図２１ではメモリー２０１、プロセッサユニット２０２、メモリーマネージングユニット２０３、インターフェース２０４の各パターンを示している。これらそれぞれの工程で管理・検査が必要とされる薄膜パターンの形成部位を被測定部位として、その長手方向がＸ線の微小角度による伸長方向に合わせる。このため試料台は１８０度以上の回転角度が可動である必要がある。
また、一般に、半導体素子２００のサイズは０．３〜２０ｍｍ程度であるが、各測定部位の薄膜パターンのサイズは短い方向では２００μｍ以下になることもあるので、Ｘ線のビームサイズは２００μｍ以下であることが望ましい。
Ｘ線検査装置は、図２２に示すように、箱形をした装置カバー３００の内部に配設してある。装置カバー３００は、Ｘ線を遮断する金属材料で構成してある。装置カバー３００の内部は、Ｘ線検査部と、ウエーハ搬送部とに区分けされており、Ｘ線検査室部にＸ線検査装置が配設してある。
ウエーハ搬送部には、半導体ウエーハを一枚一枚把持してＸ線検査装置の試料台１０へ自動的に配置する搬送ロボット（図示せず）が設けてある。装置カバー３００の前面には、ウエーハ投入台３０１と挿入口３０２とが設けてあり、成膜装置５００によって成膜された半導体ウエーハは、複数枚積層された状態でケースに収められ、ウエーハ投入台３０１に配置される。搬送ロボットは、ウエーハ投入台３０１に配置されたケースから半導体ウエーハを一枚ずつピックアップしてＸ線検査装置の試料台１０へと搬送する。また、搬送ロボットは、検査が終了した半導体ウエーハを、試料台１０からピックアップしてウエーハ投入台３０１上のケースに返す。
〔本実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の主な作用効果〕
上述した本実施形態のＸ線薄膜検査装置によれば、高いスループットと高分解能を実現でき、インラインでプロダクト・ウエーハを直接検査することができる。
Ｘ線反射率測定では、単層膜だけでなく、表面から数層の各々の層の膜厚、密度、ラフネスを同時に導出することが可能である。しかも、複数台のＸ線照射ユニット４０を第１の旋回アーム３２に搭載できるようになっているので、複数の異なる波長のＸ線ビームを利用したより精度の高い多層膜解析が実現可能となる。
蛍光Ｘ線測定では、パターン認識用ＣＣＤカメラと蛍光Ｘ線検出器の位置を移動することが可能なため、試料ウェーハに近接して蛍光Ｘ線検出器を設置することが可能となった。これにより、ＣｕやＴａの他に大気中でアルミニウム膜の膜厚測定ができるようになった。アルミニウムの場合、蛍光Ｘ線が空気に吸収され微弱になるため、従来のシステムでは測定が難しかった。本実施形態のＸ線薄膜検査装置によれば、高感度で蛍光Ｘ線が捉えられるようになり、アルミニウム配線膜の膜厚測定が可能となった。
すなわち、アルミニウム測定時に検査条件が設定されると、第１の旋回アーム３２が旋回して、アルミニウムの測定に適した波長のＸ線を発生するＸ線照射ユニット４０を、検査対象である半導体ウエーハに対して低角度の入射角度位置に配置する。具体的には、１度から５度の入射角度に設定される。詳しくは、入射角度をθ度、半導体ウエーハの被測定部位におけるアルミニウム膜の膜厚をｔμｍとした場合、ｓｉｎθ＝ｔ／２７の関係式を満足する入射角度に設定することが好ましい。
このように入射角度を低角度に設定することで、半導体ウエーハへの入射Ｘ線が蛍光Ｘ線検出器６０に遮られない余裕空間ができ、機器交換機構８０に内蔵されている上下移動機構により蛍光Ｘ線検出器６０を下降させ、他の元素を測定するときに比べ蛍光Ｘ線検出器６０を半導体ウエーハの表面に近接する位置に配置することが可能となる。
これにより、半導体ウエーハの測定面と蛍光Ｘ線検出器６０との間のＸ線通路（Ｘ線の入射空間）を１〜２ｍｍにすることができ、半導体ウエーハの測定面から発生する蛍光Ｘ線の多くを空気に吸収される前に蛍光Ｘ線検出器６０が補足可能となる。なお、入射角度を１度に設定した場合は、上記Ｘ線通路は１ｍｍに設定することができる。
以上のごとく、第１の旋回アーム３２によりアルミニウムの測定に適した波長のＸ線を発生するＸ線照射ユニット４０を、検査対象である半導体ウエーハに対して低角度の入射角度位置に配置することと、機器交換機構８０に内蔵されている上下移動機構により蛍光Ｘ線検出器６０を下降させ、他の元素を測定するときに比べ蛍光Ｘ線検出器６０を半導体ウエーハの表面に近接する位置に配置することにより、アルミニウム膜から発生する蛍光Ｘ線が蛍光Ｘ線検出６０に到達するまでの強度減衰を抑えることができたので、大気中でのアルミニウムの測定が可能となる。
さらに、検査対象の微小領域を微小ピッチで測定できるので、膜厚の面内分布を高分解能で測定することが可能である。ウエーハエッジ部の測定にも使えるので、膜厚モニターとしてばかりでなく、成膜プロセスを新たに立ち上げるときにも高スループット、高分解能測定の威力が発揮される。
本発明の実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の全体構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の全体構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るＸ線薄膜検査装置の全体構造を示す正面図である。 Ｘ線照射ユニットの正面断面図である。 （ａ）は図４のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は同じくＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は同じくＣ−Ｃ線断面図である。 Ｘ線照射ユニットのシャッター部分を拡大して示す断面図である。 Ｘ線照射ユニットの変形例を図５（ｃ）に対応して示す断面図である。 コンフォーカルミラーの機能を説明するための斜視図である。 他の構成をしたコンフォーカルミラーの機能を説明するための斜視図である。 本発明による検査装置を用い、測定時間を変化させて行った２θ値０−３度のＸＲＲ測定例を示すグラフである。 本発明による検査装置を用い、測定時間を変化させて行った２θ値０−３度のＸＲＲを用いて膜厚・膜密度検査を行った結果を示す表である。 Ｘ線検出器のダイナミックレンジを説明するグラフである。 Ｘ線検出器のダイナミックレンジを説明する別のグラフである。 試料台の上方に設けたカバーの構造を拡大して示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るＸ線検査装置の制御系を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るＸ線検査装置の制御フローチャートである。 半導体ウエーハの位置決め動作を説明するための比較図である。 半導体ウエーハの位置決め動作を説明するための図である。 半導体ウエーハの傾き補正を説明するための図である。 半導体製造ラインの一部構成を示す概要図である。 被測定部位となる半導体ウエーハに形成された半導体素子の内部構成例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るＸ線検査装置を装置カバーで被覆した状態を示す斜視図である。
符号の説明
１０：試料台、２０：位置決め機構、３０：ゴニオメータ、４０：Ｘ線照射ユニット、５０：Ｘ線検出器、６０：蛍光Ｘ線検出器、７０：光学カメラ、８０：機器交換機構

Claims (18)

  1. 検査対象を上面に配置する試料台と、
    前記試料台の上面に配置された検査対象の画像を認識する画像認識手段と、
    前記画像認識手段による検査対象の画像認識結果に基づき制御され、前記試料台を水平面上で直交する２方向、高さ方向、および面内回転方向に移動させる位置決め機構と、
    前記試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する第１，第２の旋回部材を備えたゴニオメータと、
    前記第１の旋回部材に搭載され、かつＸ線管およびＸ線光学素子をユニット本体内に内蔵するＸ線照射ユニットと、
    前記第２の旋回部材に搭載されたＸ線検出器と、
    を備えたことを特徴とするＸ線薄膜検査装置。
  2. 前記Ｘ線照射ユニットのＸ線光学素子は、前記Ｘ線管から放射されたＸ線を、あらかじめ設定した測定位置へ２００μｍ径以下の断面に収束する機能を有していることを特徴とする請求項１のＸ線薄膜検査装置。
  3. 前記Ｘ線照射ユニットは、ユニット本体内で前記Ｘ線管から放射されたＸ線を前記Ｘ線光学素子に導く軌道を遮断又は開放するシャッターを備えており、かつこのシャッターの周囲に気体流路を形成したことを特徴とする請求項１または２のＸ線薄膜検査装置。
  4. 前記Ｘ線検出器は、Ｘ線強度を減衰せしめる手段を使用せずにＸ線検出素子１画素で10,000,000カウント毎秒以上のＸ線強度を測定できるアバランシェフォトダイオードにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線薄膜検査装置。
  5. 前記第１の旋回部材に、複数の前記Ｘ線照射ユニットを旋回方向に並べて搭載したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線薄膜検査装置。
  6. 前記複数のＸ線照射ユニットは、それぞれ波長の異なるＸ線を発生するＸ線管を内蔵していることを特徴とする請求項５のＸ線薄膜検査装置。
  7. Ｘ線の照射により検査対象から発生する蛍光Ｘ線を検出する蛍光Ｘ線検出器を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＸ線薄膜検査装置。
  8. 前記画像認識手段は、光学カメラと、この光学カメラが捉えた画像を認識する画像認識回路とを含み、
    前記光学カメラと前記蛍光Ｘ線検出器とが、前記試料台の上方に配設されており、
    これら光学カメラおよび蛍光Ｘ線検出器を選択して、所定の測定位置と対向する位置へ移動させる機器交換機構を備えたことをとを特徴とする請求項７のＸ線薄膜検査装置。
  9. 前記光学カメラ、蛍光Ｘ線検出器、および機器交換機構を被覆するカバーを設け、
    前記カバーは、前記光学カメラの視野に対向する位置に透過窓が形成してあり、
    かつ、前記カバー内部の気体を排気する排気手段を備えたことを特徴とする請求項８のＸ線薄膜検査装置。
  10. プロダクトウエーハを検査対象とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載したＸ線検査装置であって、
    プロダクトウエーハに形成された半導体素子の微小な薄膜パターンを被測定部位として、前記画像認識手段からの認識結果に基づき前記位置決め機構を制御し、当該被測定部位を所定の測定位置へ位置決めするとともに、当該被測定部位の薄膜検査を実行する制御手段を備えたことを特徴とするＸ線薄膜検査装置。
  11. 請求項１０のＸ線薄膜検査装置において、
    前記制御手段は、さらに前記画像認識手段からの認識結果に基づき前記位置決め機構を制御し、前記被測定部位の長手方向を、前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線入射方向に合わせて配置することを特徴とするＸ線薄膜検査装置。
  12. 請求項１０または１１のＸ線薄膜検査装置において、
    前記制御手段は、前記被測定部位の検査結果が、あらかじめ設定した正常と判断される範囲を逸脱した場合、さらに同じ半導体素子の同一薄膜パターンを被測定部位として薄膜検査を実行することを特徴とするＸ線薄膜検査装置。
  13. 請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載のＸ線薄膜検査装置において、
    前記制御手段は、前記被測定部位の検査結果が、あらかじめ設定した正常と判断される範囲を逸脱した場合、さらにプロダクトウエーハの別の部位に形成された半導体素子の同一薄膜パターンを被測定部位として、前記画像認識手段からの認識結果に基づき前記位置決め機構を制御し、当該被測定部位を所定の測定位置へ位置決めするとともに、当該被測定部位の薄膜検査を実行することを特徴とするＸ線薄膜検査装置。
  14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載したＸ線薄膜検査装置と、
    半導体製造プロセスにて薄膜形成された半導体ウエーハを、一枚ずつ前記Ｘ線薄膜検査装置の試料台へ搬送する搬送ロボットと、
    これらＸ線薄膜検査装置および搬送ロボットを収納する装置カバーと、を備えたプロダクトウエーハの薄膜検査装置。
  15. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載したＸ線薄膜検査装置を用いたプロダクトウエーハの薄膜検査方法であって、
    プロダクトウエーハに形成された半導体素子の微小な薄膜パターンを被測定部位として、当該被測定部位を前記Ｘ線薄膜検査装置の測定位置へ位置決めし、当該被測定部位の薄膜検査を実行することを特徴とするプロダクトウエーハの薄膜検査方法。
  16. 前記被測定部位の長手方向を、前記Ｘ線照射ユニットからのＸ線入射方向に合わせて配置し、当該被測定部位の薄膜検査を実行することを特徴とする請求項１５のプロダクトウエーハの薄膜検査方法。
  17. 前記被測定部位の検査結果が、あらかじめ設定した正常と判断される範囲を逸脱した場合、さらに同じ半導体素子の同一薄膜パターンを被測定部位として薄膜検査を実行することを特徴とする請求項１５または１６のプロダクトウエーハの薄膜検査方法。
  18. 前記被測定部位の検査結果が、あらかじめ設定した正常と判断される範囲を逸脱した場合、さらにプロダクトウエーハの別の部位に形成された半導体素子の同一薄膜パターンを被測定部位として薄膜検査を実行することを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載したプロダクトウエーハの薄膜検査方法。
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