JP2009288016A - Fluorescent x-ray analyzer and evaluation system of semiconductor device using it - Google Patents

Fluorescent x-ray analyzer and evaluation system of semiconductor device using it Download PDF

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浩一 平田
Isao Kojima
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the performance of a semiconductor manufacturing line by performing the evaluation of the region, of which the element composition is different from that of a substrate, present in or on the substrate in a non-destructive manner with high precision in a short time. <P>SOLUTION: An evaluation target sample (substrate or the like) 4 is irradiated with X rays 3 at a low angle, for example, from the X-ray source 1 of an Mo target through a monochromator 2. The irradiation region is a region shown by a mark 3a. Further, this fluorescent X-ray analyzer has an in-plane rotary mechanism (θz) using the normal line of the surface of the substrate 4 extending from the center of the substrate 4, an angle-of-inclination altering mechanism capable of altering the incident angle (α1) of incident X rays in relation to a y-axis, and a moving mechanism capable of altering the measuring position on the surface of the substrate 4. This analyzer is especially important in that only the certain area of the substrate 4 can be irradiated with X rays and the region 3a can be altered. The evaluation is performed by measuring the intensity of fluorescent X rays emitted from the sample. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、蛍光X線分析装置及びそれを用いた半導体装置の非破壊評価システムに関し、より詳細には、半導体製造ラインにおける基板の、蛍光X線分析を利用した、半導体デバイス作成、材料微細加工等、ナノテクノロジー分野全般で広く用いられている薄膜の膜厚、ドープ層等の評価技術に関する。   The present invention relates to a fluorescent X-ray analyzer and a non-destructive evaluation system for a semiconductor device using the same, and more particularly, a semiconductor device creation and material microfabrication using fluorescent X-ray analysis of a substrate in a semiconductor manufacturing line. The present invention relates to a technique for evaluating a thin film thickness, a doped layer, etc. widely used in the entire nanotechnology field.

半導体技術、特に高集積化と量産化技術の向上に伴って、例えば、半導体基板に形成されたドープ領域の面積やドープ量、薄膜積層体の面積や形成量を評価する技術の開発が重要になってきている。そのための方法として、加速したイオンを試料に照射する際に試料を構成する原子の一部がイオンとなって試料表面より飛び出す現象を利用する、2次イオン質量分析法がある。この方法は、試料へのイオン照射によって生じる原子の試料表面からの離脱と2次イオンの発生とを利用し、イオン照射することにより原子を弾き飛ばしながら2次イオン強度を測定することで、深さ方向の元素分布測定を行うものである。   With the advancement of semiconductor technology, especially high integration and mass production technology, for example, it is important to develop technology for evaluating the area and doping amount of doped regions formed on semiconductor substrates, and the area and formation amount of thin film stacks. It has become to. As a method therefor, there is a secondary ion mass spectrometry method that utilizes a phenomenon in which a part of atoms constituting a sample becomes ions and jumps out of the sample surface when the sample is irradiated with accelerated ions. This method uses the separation of atoms from the sample surface and the generation of secondary ions generated by ion irradiation of the sample, and measures the secondary ion intensity while blowing off the atoms by ion irradiation. The element distribution measurement in the vertical direction is performed.

その他に、試料に入射したイオンが、試料原子によりラザフォード散乱される現象を利用した、ラザフォード後方散乱法も利用される場合がある。ラザフォード後方散乱法は、高エネルギーで試料に入射したイオンが試料で散乱され、この散乱された入射イオンのエネルギーを分析することにより、試料中の元素量や深さ方向の元素分布情報を得る原理に基づくものである。2次イオン質量分析法もラザフォード後方散乱法も、試料にイオンを照射するため、試料に照射による損傷が生じる破壊的分析法であり、半導体製造ラインにおけるオンライン評価には使用できない。   In addition, a Rutherford backscattering method using a phenomenon in which ions incident on a sample are Rutherford scattered by sample atoms may be used. The Rutherford backscattering method is a principle in which ions incident on a sample with high energy are scattered by the sample, and by analyzing the energy of the scattered incident ions, the amount of elements in the sample and element distribution information in the depth direction are obtained. It is based on. Both the secondary ion mass spectrometry method and the Rutherford backscattering method are destructive analysis methods in which the sample is irradiated with ions, so that the sample is damaged by irradiation, and cannot be used for on-line evaluation in a semiconductor manufacturing line.

また、2次イオン質量分析では、試料表面近傍測定で起こる未平衡領域における測定値が変動するという問題があり、ラザフォード後方散乱法では、入射イオン量計測や計測に関わる各種ジオメトリの定量的設定の困難さから、1%以下の精度でナノメートル深さの領域を計測することは困難である。さらに、膜厚が薄くなるにしたがって、計測に要求される深さ分解能が高くなり、原子層程度(0.1nm程度)の深さ分解能を要求されるが、現状では、上記の方法を用いると、原子層程度の深さ分解能で膜厚量を評価することは難しい。   In secondary ion mass spectrometry, there is a problem that the measurement value in the unbalanced region that occurs in the vicinity of the sample surface varies. In Rutherford backscattering method, the measurement of incident ions and quantitative settings of various geometries related to measurement are performed. Due to the difficulty, it is difficult to measure a nanometer-depth region with an accuracy of 1% or less. Furthermore, as the film thickness is reduced, the depth resolution required for measurement is increased, and a depth resolution of about an atomic layer (about 0.1 nm) is required. It is difficult to evaluate the film thickness with the depth resolution of the atomic layer.

また、基板表面に対して低い角度で入射させたX線の反射率を測定することにより、表面に形成された形成膜の厚さを評価する方法もある。この評価方法は、形成膜の表面に近い表面あるいは基板との界面で反射するX線と、深い側の界面で反射するX線とが、その光路差により干渉することを利用したものである。X線入射角度を変えながら反射率を測定した際に現れるX線入射角度に対する強度変動周期が薄膜の膜厚に関係していることを用いて、膜厚を評価するものである。この場合、膜厚が薄くなると入射角度に対する反射率変動周期が長くなる上に、界面での組成ゆらぎ(界面粗さ)に依存して入射角度に対する反射率強度が急激に減衰するため、薄膜の状態によっては、nm厚さの薄膜の評価が難しくなる。さらに、膜厚を評価するには、入射角度を変えた測定を数多く行う必要があるため、短時間で高精度の評価が求められている製造ラインでのオンライン検査には不適である。   There is also a method for evaluating the thickness of the formed film formed on the surface by measuring the reflectance of X-rays incident at a low angle with respect to the substrate surface. This evaluation method utilizes the fact that X-rays reflected at the surface near the surface of the formed film or the interface with the substrate interfere with X-rays reflected at the deep interface due to the optical path difference. The film thickness is evaluated using the fact that the intensity fluctuation period with respect to the X-ray incident angle that appears when the reflectance is measured while changing the X-ray incident angle is related to the film thickness of the thin film. In this case, since the reflectance fluctuation period with respect to the incident angle becomes longer as the film thickness becomes thinner, the reflectance intensity with respect to the incident angle rapidly attenuates depending on the composition fluctuation (interface roughness) at the interface. Depending on the state, it becomes difficult to evaluate a thin film having a thickness of nm. Furthermore, in order to evaluate the film thickness, since it is necessary to perform many measurements with different incident angles, it is unsuitable for on-line inspection in a production line that requires high-precision evaluation in a short time.

元素の組成が周囲とは異なる薄膜層の剥ぎ取り工程は、デバイス間の配線やパターンを形成する線の作成にも関連する重要な工程であるため、その評価も非常に重要である。薄膜の剥ぎ取り加工に関して、剥ぎ取りにより形成されたパターン配線の線幅を評価するCD-SEM (Critical-Dimension Scanning Electron Microscope)法が、半導体製造ラインで広く用いられている。CD-SEM法は、測長機能に特化したSEM(走査電子顕微鏡)装置であり、SEMで得られた画像を解析し線幅を評価するものである。この場合、電子を照射するため、試料の帯電の影響を強く受ける、評価の範囲はSEMの視野に限定される、デバイスの微細化に伴い、SEM画像の分解能が解析に必要なレベルの限界に近づいている、等、更なる微細化に対応できない。   The stripping process of a thin film layer having an elemental composition different from that of the surrounding is an important process related to the creation of lines for forming wirings and patterns between devices, so that the evaluation is also very important. As for thin film stripping, a CD-SEM (Critical-Dimension Scanning Electron Microscope) method for evaluating the line width of a pattern wiring formed by stripping is widely used in semiconductor manufacturing lines. The CD-SEM method is an SEM (scanning electron microscope) apparatus specialized for the length measurement function, and analyzes the image obtained by the SEM and evaluates the line width. In this case, because of electron irradiation, it is strongly affected by the charging of the sample. The range of evaluation is limited to the field of view of the SEM. With the miniaturization of the device, the resolution of the SEM image has reached the limit required for analysis. Cannot cope with further miniaturization, such as approaching.

図11は、下記特許文献1に記載の蛍光X線分析法の概略を示す図である。図11に示す方法では、基板104上に形成された薄膜104aを評価するために、表面に低い角度でX線103を入射させる。その際、一部の入射X線103は、X線が当たった部分に存在する元素を励起して蛍光X線107を放出する。基板104上には、この蛍光X線107を検出する検出器105が配置されており、基板(試料)104aから放出された蛍光X線107の強度を測定することにより基板(試料)104aの評価を行うことができる。   FIG. 11 is a diagram showing an outline of the fluorescent X-ray analysis method described in Patent Document 1 below. In the method shown in FIG. 11, in order to evaluate the thin film 104a formed on the substrate 104, X-rays 103 are incident on the surface at a low angle. At that time, some of the incident X-rays 103 excite the elements present in the portion where the X-rays hit and emit fluorescent X-rays 107. A detector 105 for detecting the fluorescent X-ray 107 is arranged on the substrate 104, and the evaluation of the substrate (sample) 104a is performed by measuring the intensity of the fluorescent X-ray 107 emitted from the substrate (sample) 104a. It can be performed.

特開2007−107952号公報JP 2007-107952 A

ところで、DRAMや不揮発性メモリなどの半導体装置は微細化と量産効果によりコストダウンされてきている。近年、これらの半導体集積回路の微細化に伴い、最小加工寸法はnmオーダーにまでなってきている。すなわち、半導体デバイス作成工程においては、デバイスサイズの微小化にともない、nmサイズの構造を多くの工程を経て作り込みを行っている。また、それに伴い、基板面上に堆積する膜の厚さも薄くなってきている。さらに、物質の構造をnm領域で制御し、機能を発現させるナノテクノロジー技術も注目されている。   Meanwhile, the cost of semiconductor devices such as DRAMs and nonvolatile memories has been reduced due to miniaturization and mass production effects. In recent years, with the miniaturization of these semiconductor integrated circuits, the minimum processing dimension has reached the nm order. That is, in the semiconductor device creation process, with the miniaturization of the device size, the nm size structure is formed through many processes. Along with this, the thickness of the film deposited on the substrate surface has also decreased. Furthermore, nanotechnology technology that controls the structure of a substance in the nm region and expresses its function is also attracting attention.

薄膜やドーピングを行った領域等、基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域の評価において、広く用いられている2次イオン質量分析法、ラザフォード後方散乱法では、イオンを照射するため破壊分析になり、オンラインで計測に利用することはできない。また、X線反射率測定やCD-SEMでは、1点の測定に時間がかかり、試料の広い範囲にわたる測定に用いると測定時間がかかる。また、これらの方法では、nmオーダー以下のサイズでの測定では、原理的な限界から精度が出せない。   In the evaluation of regions where the elemental composition is different from the substrate existing in and on the substrate, such as thin film and doped regions, ion irradiation is used in the widely used secondary ion mass spectrometry and Rutherford backscattering methods. Therefore, it becomes destructive analysis and cannot be used for measurement online. Further, in X-ray reflectivity measurement and CD-SEM, it takes time to measure one point, and it takes time to use it for measurement over a wide range of samples. In addition, in these methods, accuracy cannot be obtained due to a theoretical limit in measurement with a size of the order of nm or less.

半導体基板上への半導体デバイスの作成工程における、nmサイズの微細構造を作り込む際に、半導体基板上にnmサイズの薄膜を堆積し、他の領域とは元素の組成が異なる領域を作成しそれらの領域の決められた形状での加工する工程を繰り返しながら、トランジスタなどのデバイス構造を形成することができる。その際に、不純物をドープしたドープ領域や、島状に形成された薄膜やその積層体等の領域のように、その他の領域とは元素の組成が異なる領域の形成量(体積・面積)やその領域の剥ぎ取り量(凹部の体積や面積)を正確にコントロールすることが重要である。そのためには、形成量や剥ぎ取り量、および、それらの均一性、異常値、等を、非破壊で製造ラインを止めることなく評価することが必要になる。   When creating a nano-sized microstructure in the process of creating a semiconductor device on a semiconductor substrate, a nano-sized thin film is deposited on the semiconductor substrate to create regions with elemental compositions different from those of other regions. A device structure such as a transistor can be formed while repeating the process of processing with the determined shape of the region. At that time, the formation amount (volume / area) of a region having an elemental composition different from that of other regions, such as a doped region doped with impurities, a thin film formed in an island shape, or a laminate thereof, and the like. It is important to accurately control the amount of stripping of the region (volume and area of the recess). For that purpose, it is necessary to evaluate the formation amount, the stripping amount, the uniformity, the abnormal value, etc. without stopping the production line in a non-destructive manner.

また、上記特許文献1に記載の蛍光X線法は、試料中の元素分析法として広く利用されているが、基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域量やその加工に関する評価、およびそのプロセス管理に用いられていなかった。   Further, the X-ray fluorescence method described in Patent Document 1 is widely used as an elemental analysis method in a sample, but relates to a region amount having a different element composition from the substrate existing in and on the substrate and processing thereof. It was not used for evaluation and process management.

本発明の目的は、基板中および基板上に存在する、基板とは元素組成が異なる領域の評価を、非破壊、高精度、短時間で行うことにより、半導体製造ラインの高性能化を計ることを目的とする。   An object of the present invention is to improve the performance of a semiconductor manufacturing line by performing non-destructive, high-accuracy, and short-time evaluation of a region present in and on a substrate and having a different elemental composition from the substrate. With the goal.

本発明は、基板中および基板上に存在する、基板とは元素組成が異なる領域の評価において、基板にX線を入射し、その入射したX線により励起される当該領域を構成する元素からの蛍光X線強度を測定することで、当該領域を評価する際に、測定対象となる元素において、測定試料と元素濃度が既知の試料との間で、蛍光X線強度を比較することにより定量的に当該領域の評価を行うことができる。さらに、あるプロセスの前後における測定によって、相対強度比較を行うことができる。また、2箇所以上の測定点において系統的に測定するマッピング測定により、基板の広範囲の測定等を、非破壊、高感度、高精度で評価することも可能である。   In the evaluation of a region present in and on a substrate and having a different elemental composition from the substrate, the present invention makes X-rays incident on the substrate, and from the elements constituting the region excited by the incident X-rays. When evaluating the region by measuring the fluorescent X-ray intensity, quantitative comparison is made by comparing the fluorescent X-ray intensity between the measurement sample and a sample with a known element concentration in the element to be measured. This area can be evaluated. Furthermore, relative intensity comparisons can be made by measurements before and after a certain process. In addition, it is possible to evaluate a wide range of measurement of a substrate with non-destructive, high sensitivity and high accuracy by mapping measurement that systematically measures at two or more measurement points.

本発明の一観点によれば、基板中および/または基板上に設けられ、前記基板とは元素組成が異なる領域の評価方法であって、評価対象試料にX線を照射するステップと、照射されたX線により励起される照射領域における構成元素からの蛍光X線の強度と、(同様の方法で得られた)基準試料の対応する前記構成元素からの蛍光X線強度とを比較するステップ、または、評価対象試料間あるいは2点以上の同一試料内の蛍光X線強度を比較するステップと、を有することを特徴とする蛍光X線分析方法が提供される。基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域を評価する評価することができる。   According to an aspect of the present invention, there is provided a method for evaluating a region provided in and / or on a substrate and having an elemental composition different from that of the substrate, the step of irradiating the sample to be evaluated with X-rays, Comparing the intensity of fluorescent X-rays from the constituent elements in the irradiated region excited by the X-rays and the fluorescent X-ray intensity from the corresponding constituent elements of the reference sample (obtained in a similar manner); Alternatively, there is provided a fluorescent X-ray analysis method comprising the steps of comparing fluorescent X-ray intensities between samples to be evaluated or in two or more identical samples. It is possible to evaluate by evaluating a region having an element composition different from that in the substrate and on the substrate.

これにより、基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域量を評価する評価することができる。   Thereby, it is possible to evaluate the amount of the region in which the elemental composition is different from that in the substrate and on the substrate.

さらに、基板中および/または基板上に設けられ、基板とは元素組成が異なる領域の評価方法であって、評価対象試料にX線を照射するステップと、照射されたX線により励起される照射領域における構成元素からの蛍光X線の強度と、(同様の方法で得られた)基準となる試料の対応する元素からの蛍光X線の強度とを比較し、基板中および/または基板上に存在する当該領域量を、単位面積当たりの原子数に換算した量又は単位面積当たりの原子数に換算した量に比例した値を算出するステップと、を有することを特徴とする蛍光X線分析方法が提供される。これにより、基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域量の評価することができる。単位面積当たりの原子数に換算した量に比例した値とは、広く言えば、単位面積当たりの原子数に換算した量に基づいて算出した値も含むものであり、必ずしも比例関係には限定されない。   Furthermore, it is a method for evaluating a region provided in and / or on a substrate and having an elemental composition different from that of the substrate, the step of irradiating the sample to be evaluated with X-rays, and irradiation excited by the irradiated X-rays The intensity of fluorescent X-rays from the constituent elements in the region and the intensity of fluorescent X-rays from the corresponding element of the reference sample (obtained by the same method) are compared, and in the substrate and / or on the substrate And calculating a value proportional to the amount converted into the number of atoms per unit area or the amount converted into the number of atoms per unit area. Is provided. Thereby, it is possible to evaluate a region amount having a different elemental composition from the substrate existing in and on the substrate. A value proportional to the amount converted to the number of atoms per unit area broadly includes a value calculated based on the amount converted to the number of atoms per unit area, and is not necessarily limited to a proportional relationship. .

また、基板中および/または基板上に設けられ、基板とは元素組成が異なる領域の一部また全部を取り除く加工を行った場合、あるいは、別の基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域を付加する加工を行った場合における評価方法であって、評価対象基板にX線を照射するステップと、照射したX線により励起される当該領域における構成元素からの蛍光X線の強度と、(同様の方法で得られた)基準となる試料の対応する元素からの蛍光X線の強度と、を比較するステップ、あるいは、加工後試料間あるいは2点以上の同一加工後の試料面内の蛍光X線強度を比較するステップと、を有することを特徴とする蛍光X線分析方法であっても良い。これにより、加工量あるいは加工精度を評価することができる。   Also, when processing is performed to remove part or all of a region provided in and / or on the substrate and having a different elemental composition from the substrate, or a substrate existing in and on another substrate is an element This is an evaluation method in the case of performing processing for adding regions having different compositions, the step of irradiating the evaluation target substrate with X-rays, and the fluorescent X-rays from the constituent elements in the regions excited by the irradiated X-rays A step of comparing the intensity with the intensity of fluorescent X-rays from the corresponding element of the reference sample (obtained by the same method), or between samples after processing or two or more samples after the same processing And a step of comparing the in-plane fluorescent X-ray intensities. Thereby, the amount of processing or processing accuracy can be evaluated.

また、基板中および/または基板上に設けられ、基板とは元素組成が異なる領域の一部を取り除き線状の領域を形成する加工を行った場合、あるいは、別の基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域を付加することで線状の領域を形成する加工を行った場合における評価方法であって、評価対象基板にX線を照射するステップと、照射したX線により励起される当該領域における構成元素からの蛍光X線の強度と、(同様の方法で得られた)基準となる試料の対応する元素からの蛍光X線の強度と、を比較するステップ、または、評価対象試料間あるいは2点以上の同一評価対象試料面内の蛍光X線強度を比較するステップと、を有することを特徴とする蛍光X線分析方法が提供される。これにより、線状領域を評価する線状領域の評価が可能である。前記評価対象は、同じ微細パターンを有する多数の基板間又は同じ微細パターンを有する1枚の基板面内であることが好ましい。また、基板に入射する前記X線の入射角度は臨界角度以上であることが好ましい。   Also, in the substrate and / or on the substrate, when part of the region with a different element composition from the substrate is removed to form a linear region, or in another substrate and on the substrate This is an evaluation method in the case of performing a process of forming a linear region by adding a region having a different element composition from the substrate to be processed, and includes a step of irradiating the evaluation target substrate with X-rays, and the irradiated X-rays Comparing the intensity of the fluorescent X-ray from the constituent element in the region to be excited with the intensity of the fluorescent X-ray from the corresponding element of the reference sample (obtained by the same method), or And a step of comparing the X-ray fluorescence intensities in the same evaluation target sample surface between two or more evaluation target samples. Thereby, it is possible to evaluate the linear region for evaluating the linear region. The evaluation object is preferably between a large number of substrates having the same fine pattern or within a single substrate surface having the same fine pattern. Moreover, it is preferable that the incident angle of the X-rays incident on the substrate is not less than a critical angle.

また、前記基板とは異なる元素を含む層が、Hf、Zr、La、Ta、Ti、Ba、Sr、Cu、Ni、Co、Ce、Dy、Pr、Y、Sr、Gd、Pt、W、Mo、As、In、Sb、Au、Pのうち1種以上の元素で構成されることが好ましい。一方、前記基板がSi、Ge、Ga、As、C,In、Nのうち1種以上の元素で構成されるか、或いは、ガラス、高分子を含むことが好ましい。上記評価において、基板上の2箇所以上で測定を行い、評価結果のマッピングを行うようにしても良い。前記基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域の厚さが10nm以下であっても良い。上記のいずれか1に記載の方法において、基板中および基板上に存在する基板とは異なる元素を含む薄膜層の評価するものであっても良い。   Further, the layer containing an element different from the substrate is Hf, Zr, La, Ta, Ti, Ba, Sr, Cu, Ni, Co, Ce, Dy, Pr, Y, Sr, Gd, Pt, W, Mo. , As, In, Sb, Au, and P are preferably composed of one or more elements. On the other hand, it is preferable that the substrate is composed of one or more elements of Si, Ge, Ga, As, C, In, and N, or contains glass or a polymer. In the above evaluation, the measurement may be performed at two or more locations on the substrate, and the evaluation result may be mapped. The thickness of the region having a different element composition from that in the substrate and on the substrate may be 10 nm or less. In any one of the methods described above, a thin film layer containing an element different from the substrate existing in and on the substrate may be evaluated.

また、基板中および基板上に存在する基板とは異なる元素を含む薄膜層は、異なる組成を有する複数の層が積層された多層膜であり、前記蛍光X線の評価においてピークを持つエネルギー位置の違いに基づいて多層膜を構成するそれぞれの膜を独立して評価することもできる。   Further, the thin film layer containing an element different from the substrate present on the substrate is a multilayer film in which a plurality of layers having different compositions are laminated, and has an energy position having a peak in the evaluation of the fluorescent X-ray. Each film constituting the multilayer film can be independently evaluated based on the difference.

また、前記ピーク同士が重なる場合には、ピークプロファイルの全体の頂点部分のエネルギー又は外部から取得したエネルギー値により、分離したい複数のスペクトルの中心位置を決めてピーク分離して各スペクトルの強度解析を行うステップを含むようにしても良い。   In addition, when the peaks overlap with each other, by determining the center positions of a plurality of spectra to be separated according to the energy of the entire peak portion of the peak profile or the energy value acquired from the outside, the peaks are separated and the intensity analysis of each spectrum is performed. You may make it include the step to perform.

これは、ピークという言葉をどのように解するかによるが、ピークをある分布を持ったプロファイル全体と解する場合に、ピークをプロファイル全体の頂点部分とすると、頂点部分のエネルギーにより分離したいスペクトルの中心位置を決めてピーク分離が可能である。尚スペクトルの中心位置は、データベース、計算等の外部から得られたエネルギー値を用いるようにしても良い。   This depends on how the word peak is interpreted, but when the peak is interpreted as the entire profile with a certain distribution, if the peak is defined as the apex of the entire profile, the spectrum to be separated by the energy of the apex is determined. Peak separation is possible by determining the center position. For the center position of the spectrum, an energy value obtained from the outside such as a database or calculation may be used.

本発明の他の観点によれば、評価対象基板上に、X線を照射する位置に設けられたX線源と、X線が照射された領域に存在する元素を励起して前記評価対象基板から出射される蛍光X線を検出する検出器と、該検出器により検出された蛍光X線に基づいて、基板内又は基板間の異なる照射位置における蛍光X線強度を比較する比較器と、を有することを特徴とする蛍光X線分析装置が提供される。前記評価対象基板の中心から延びる基板面の法線を回転軸とする面内回転機構と、入射X線の入射角度(α1)を変更することができる傾斜角度変更機構と、基板面における測定位置を変更できる移動機構とを有していることが好ましい。なお、実際上は、角度βの影響は小さい。また、異なるエネルギー位置において観測される蛍光X線強度に基づいて、異なるエネルギーに対応する異なる元素からなる多層膜の成膜量を評価する手段を備えることが好ましい。   According to another aspect of the present invention, an evaluation target substrate is formed by exciting an X-ray source provided at a position to be irradiated with X-rays on the evaluation target substrate and an element present in the region irradiated with the X-rays. A detector that detects the fluorescent X-rays emitted from the detector, and a comparator that compares the fluorescent X-ray intensities at different irradiation positions in the substrate or between the substrates based on the fluorescent X-rays detected by the detector. There is provided a fluorescent X-ray analyzer characterized by comprising: An in-plane rotation mechanism having a normal to the substrate surface extending from the center of the evaluation target substrate as a rotation axis, an inclination angle changing mechanism capable of changing an incident angle (α1) of incident X-rays, and a measurement position on the substrate surface It is preferable to have a moving mechanism that can change the angle. In practice, the influence of the angle β is small. In addition, it is preferable to include means for evaluating the film formation amount of the multilayer film made of different elements corresponding to different energy based on the fluorescent X-ray intensities observed at different energy positions.

複数の前記評価対象基板を搬送する搬送機構と、該搬送機構により搬送される前記評価対象基板を評価する位置に設けられた上記のいずれか1に記載の蛍光X線分析装置と、複数の前記評価対象基板ID又は基板内の位置と、前記検出器による比較結果と、を対応付けて算出し保存する評価装置とを有することを特徴とする半導体装置の評価システムであっても良い。   A transport mechanism that transports the plurality of evaluation target substrates, the fluorescent X-ray analysis apparatus according to any one of the above provided at a position for evaluating the evaluation target substrate transported by the transport mechanism, The semiconductor device evaluation system may include an evaluation device that calculates and stores the evaluation target substrate ID or the position in the substrate and the comparison result by the detector in association with each other.

本発明によれば、蛍光X線強度を検出器で測定する方法であるため検出感度が高く、十分な検出カウントを確保することで0.1%以下まで精度を高めることが可能である上に、蛍光X線を出す元素であれば原理的に測定可能であるため、物理的な限界がなく、ナノメートルオーダー以下のサイズの領域でも測定可能である。このため、基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域量やその加工に関する評価、およびそのプロセス管理により、半導体デバイス、ナノ材料等、微細構造を持つ材料の評価を精度良く行うことができる。   According to the present invention, since the fluorescent X-ray intensity is measured by the detector, the detection sensitivity is high, and it is possible to increase the accuracy to 0.1% or less by securing a sufficient detection count. Any element that emits fluorescent X-rays can be measured in principle, so there is no physical limit, and measurement is possible even in a nanometer-order region or less. For this reason, it is possible to accurately evaluate a material having a fine structure, such as a semiconductor device, a nanomaterial, etc., by evaluating an amount of a region having a different element composition from the substrate existing on or on the substrate, processing thereof, and process management thereof. be able to.

以下、本発明の一実施の形態による蛍光X線分析装置及びそれを用いた半導体装置の評価システムについて図面を参照しながら説明を行う。図1は、本実施の形態による蛍光X線分析装置の一構成例を示す図である。図1に示すように、評価対象試料(基板等)4上に、例えばMoターゲットのX線源1からモノクロメータ2を介してX線3が基板面との成す角度が低い角度で照射される。X線の照射領域は、符号3aで示されるある程度の面積を有する領域である。さらに、図1に示す装置には、基板4の中心から延びる基板面の法線(z方向)を回転軸とする面内回転機構(θz)と、入射X線の入射角度(α1)を変更することができる傾斜角度変更機構と、基板面における測定位置を変更できる移動機構とを有している。尚、入射角度(α1)を変更する方法としては、(1)θyだけ回転させる、(2)θx(β)のみ回転させる、(3)θyとθx(β)との両方を回転させる、(4)入射X線発生部1・2ごと動かす、などの方法がある。   Hereinafter, an X-ray fluorescence analyzer according to an embodiment of the present invention and a semiconductor device evaluation system using the same will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a fluorescent X-ray analyzer according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, a sample (substrate or the like) 4 to be evaluated is irradiated with an X-ray 3 from a Mo target X-ray source 1 via a monochromator 2 at a low angle with the substrate surface, for example. . The X-ray irradiation area is an area having a certain area indicated by reference numeral 3a. Further, in the apparatus shown in FIG. 1, the in-plane rotation mechanism (θz) whose rotation axis is the normal line (z direction) of the substrate surface extending from the center of the substrate 4 and the incident angle (α1) of incident X-rays are changed. An inclination angle changing mechanism that can perform the movement, and a moving mechanism that can change the measurement position on the substrate surface. As a method of changing the incident angle (α1), (1) rotate by θy, (2) rotate only θx (β), (3) rotate both θy and θx (β) ( 4) There is a method of moving the incident X-ray generators 1 and 2 together.

ここで、特に重要なことは、基板4のうちのある面積だけにX線を照射することができ、この領域を変更することができるように構成されている点である。入射X線を基板面に対してある低い角度で照射すると、試料の表面あるいは内部にX線が入射する。その際、一部のX線は、X線が照射されている領域に存在する元素を励起し、蛍光X線7を放出し、その蛍光X線7を検出器5で検出することができる。蛍光X線7による評価は、試料基板4から放出された蛍光X線7の強度とエネルギーとを測定することにより行われる。尚、図では、入射X線方向がX軸と角度βだけずれている例を示したが、角度βは0度であっても良い。   Here, what is particularly important is that only a certain area of the substrate 4 can be irradiated with X-rays, and this region can be changed. When incident X-rays are irradiated at a certain low angle with respect to the substrate surface, X-rays enter the surface or inside of the sample. At that time, some X-rays excite elements present in the region irradiated with the X-rays, emit fluorescent X-rays 7, and the fluorescent X-rays 7 can be detected by the detector 5. Evaluation by the fluorescent X-ray 7 is performed by measuring the intensity and energy of the fluorescent X-ray 7 emitted from the sample substrate 4. In the figure, the incident X-ray direction is shifted from the X axis by an angle β, but the angle β may be 0 degrees.

図2は、Si基板表面近傍約十数nm程度の深さ範囲にAsをドープした試料を、Mo線を入射X線として蛍光X線分析を行った時の、蛍光X線のエネルギースペクトルの一例を示す図である。図2に示すように、エネルギーが、1.74keV、10.53keV、11.73keV、17keVに、それぞれの位置に、ピークが観測されている。エネルギーの低い順番から、それぞれ、基板Si成分に基づくSi−Kピーク、測定対象であるAs−Kα線、As−Kβピーク、Mo−Kα散乱ピークに相当する。この場合、測定対象のAsのピーク強度により、基板を構成する元素であるSi以外の元素、例えばAs元素の存在の有無及び濃度又は領域量を評価することができる。   Fig. 2 shows an example of the energy spectrum of fluorescent X-rays when a sample doped with As in the depth range of about tens of nanometers near the surface of the Si substrate was subjected to fluorescent X-ray analysis using Mo rays as incident X-rays. FIG. As shown in FIG. 2, peaks are observed at respective positions of energy of 1.74 keV, 10.53 keV, 11.73 keV, and 17 keV. From the order of lower energy, they correspond to the Si-K peak based on the Si component of the substrate, the As-Kα line, As-Kβ peak, and the Mo-Kα scattering peak, which are measurement targets. In this case, the presence / absence and concentration or area amount of an element other than Si that is an element constituting the substrate, for example, the As element, can be evaluated based on the peak intensity of As to be measured.

図3は、波長0.071nmの一次Mo−Kα線をSi基板に照射した場合の、基板表面側での蛍光X線強度(Intensity)とX線の進入深さ(入射X線強度が表面の1/eとなる深さ)のX線の傾斜角度α1依存性を示す図である。図3に示すように、臨界角度α以下では、入射ビームは全反射し、角度α1の増大にともなって蛍光X線強度が高くなるが、X線はそれほど深くまでは入って行かないことがわかる。臨界角度αを超えると、X線は急激に基板の深くまで入るようになり、入射X線強度の試料深さ依存性が急激に弱まるため、試料表面近傍でのX線強度の均一性が高まる。従って、測定対象となる元素が存在する深さに依存せず、強度の均一性が高い入射X線を測定対象試料に照射することができる。 FIG. 3 shows the fluorescence X-ray intensity (Intensity) on the substrate surface side and the X-ray penetration depth (incident X-ray intensity on the surface when the Si substrate is irradiated with primary Mo—Kα rays having a wavelength of 0.071 nm. It is a figure which shows the inclination-angle (alpha) 1 dependence of the X-ray of (the depth used as 1 / e). As shown in FIG. 3, below the critical angle α C , the incident beam is totally reflected, and the intensity of the fluorescent X-ray increases as the angle α 1 increases, but the X-ray does not enter so deeply. Recognize. When the critical angle α C is exceeded, the X-rays suddenly enter the substrate deeply, and the dependency of the incident X-ray intensity on the sample depth sharply weakens. Therefore, the uniformity of the X-ray intensity near the sample surface is reduced. Rise. Therefore, it is possible to irradiate the sample to be measured with incident X-rays having high intensity uniformity without depending on the depth at which the element to be measured exists.

図4は、AsのKαの蛍光X線のカウント数のSi基板の傾斜角依存性を示す図である。AsのKαの蛍光カウント数とともに、ターゲットのMoのカウント数、基板のSiのカウント数が示されている。この図より、臨界傾斜角度までは、表面層であるAsの蛍光カウント数が支配的であり、臨界角度を越えると、Moのカウント数、基板のSiのカウント数が増加することがわかる。   FIG. 4 is a graph showing the dependence of the As Kα fluorescent X-ray count on the tilt angle of the Si substrate. Along with the As Kα fluorescence count, the target Mo count and the substrate Si count are shown. From this figure, it can be seen that the fluorescence count of As, which is the surface layer, is dominant up to the critical tilt angle, and that the Mo count and the Si count of the substrate increase when the critical angle is exceeded.

図5は、本実施の形態による半導体基板評価システムの概略構成例を示す図である。図5に示すように、図1に示す蛍光X線分析装置の構成要素1〜5までを配置する。さらに、多数の同じ表面構造を有する基板4が、例えばベルトコンベア状の搬送装置Bにより搬送されて流れているという半導体製造工場における製造システムのイメージを示している。或いは、評価対象試料を、全数或いは抜き取りで検査するイメージとして、例えば、搬送されている試料を全数或いは一部だけ抜き取って、図1に示すような装置まで移送して測定を行うような形態であっても良い。すなわち、測定システムの形態は限定されるものではない。   FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration example of the semiconductor substrate evaluation system according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, the components 1 to 5 of the fluorescent X-ray analyzer shown in FIG. 1 are arranged. Furthermore, an image of a manufacturing system in a semiconductor manufacturing factory is shown in which a large number of substrates 4 having the same surface structure are transported and flowed by, for example, a conveyor device B having a belt conveyor shape. Alternatively, as an image for inspecting all or a part of the sample to be evaluated by sampling, for example, all or a part of the transported sample is extracted and transferred to an apparatus as shown in FIG. 1 for measurement. There may be. That is, the form of the measurement system is not limited.

基板4がある位置まで搬送されると、上記構成要素に基づく蛍光X線分析により、基板4表面および基板4内に存在する、基板4自体とは元素組成が異なる領域の評価を行ない、その評価結果が、検出器5に繋がっているコンピュータCPにより分析されるように構成されている。コンピュータCPは、基板4をユニークに識別するID等により、基板のそれぞれを、その測定結果と対応付けてコンピュータCP内のメモリ内に記憶させることができるようになっている。   When the substrate 4 is transported to a certain position, by the fluorescent X-ray analysis based on the above components, the surface of the substrate 4 and the region present in the substrate 4 and having a different element composition from the substrate 4 itself are evaluated. The result is configured to be analyzed by a computer CP connected to the detector 5. The computer CP can store each of the substrates in a memory in the computer CP in association with the measurement result by an ID or the like that uniquely identifies the substrate 4.

評価する試料4にX線を入射させ、その入射したX線により励起される当該領域を構成する元素からの蛍光X線強度と、これと同様の方法で得られた基準となる基準試料の対応する元素からの蛍光X線強度を比較する、または、被測定基板間あるいは2点以上の同一被測定基板内の蛍光X線強度を比較することで、当該領域を評価する。このために、コンピュータに強度の比較機能を例えばプログラムにより実行させることができるようになっている。   Correspondence between the X-ray fluorescence intensity from the elements constituting the region excited by the incident X-rays and the X-rays incident on the sample 4 to be evaluated and the reference sample obtained as a reference in the same manner The region is evaluated by comparing the fluorescent X-ray intensities from the elements to be measured, or by comparing the fluorescent X-ray intensities between the substrates to be measured or in two or more identical substrates to be measured. For this reason, it is possible to cause the computer to execute an intensity comparison function by a program, for example.

例えば、図6(a)、(b)に示すように、評価する対象となる試料基板4上に形成されている基板4を構成する元素とは異なる組成を有する薄膜4aに対してX線を入射し、その入射したX線により励起される薄膜4aのうちX線が照射されている当該領域を構成する元素からの蛍光X線強度と、測定対象となる元素の単位面積当たりの量が既知の試料からの蛍光X線強度と、を比較する(簡単には比を取る、或いは何らかの係数を乗算する)ことにより、当該領域量を原子量換算量(単位面積当たりの原子量に換算した量)で定量測定することができる。   For example, as shown in FIGS. 6A and 6B, X-rays are applied to a thin film 4a having a composition different from that of the elements constituting the substrate 4 formed on the sample substrate 4 to be evaluated. The X-ray fluorescence intensity from the element constituting the region irradiated with the X-ray of the thin film 4a that is incident and excited by the incident X-ray and the amount per unit area of the element to be measured are known By comparing the fluorescent X-ray intensities from the samples of (a simple ratio or multiplying by some coefficient), the amount of the region is converted into an atomic weight (amount converted into an atomic weight per unit area). Quantitative measurement is possible.

図7は、図6とは異なる手法による評価技術を示す図である。図7に示すように、測定対象となる元素の濃度が既知である試料を用いることなく、単に基準となる基準試料をベルトコンベアとは異なる場所に別途用意しておき(図7左図)、この基準試料4・4aとベルトコンベア上の評価対象試料4・4b、4・4c…との強度の比較を行うようにしても良い(図7左図、右図における横方向の比較)。あるいは、基準試料を用意しなくても、ベルトコンベア上を流れる試料の評価結果を比較することにより、ほとんどの試料は正常であるという前提のもとに異常な試料などを検出することも可能である(図7右図における縦方向の比較)。   FIG. 7 is a diagram showing an evaluation technique based on a method different from that in FIG. As shown in FIG. 7, without using a sample whose concentration of the element to be measured is known, simply prepare a reference sample as a reference separately at a place different from the belt conveyor (the left figure in FIG. 7), The reference samples 4 and 4a may be compared with the evaluation samples 4 and 4b, 4 and 4c on the belt conveyor (comparison in the horizontal direction in the left and right diagrams in FIG. 7). Or, without preparing a reference sample, by comparing the evaluation results of the samples flowing on the belt conveyor, it is also possible to detect abnormal samples etc. on the assumption that most samples are normal. Yes (the comparison in the vertical direction in the right diagram of FIG. 7).

さらに、当該領域(図では、表面層4a)の形成前後における蛍光X線強度の比較を行う相対的な強度の比較により、単位面積当たりの元素量に相当する領域量の評価を行い、この評価結果に基づくデータ管理等をコンピュータなどにより行うことで、基板4上の当該領域(X線の照射領域)の基板毎又は基板面内の位置に依存する変動を評価することもできる。この際、1枚の基板に着目し、x−y方向にX線の照射位置を移動させて評価結果を管理することで、面内における領域量の分布を評価することもできる。この方法で、濃度換算膜厚の変動、ばらつき、異常値等を評価することができる。   Further, by comparing the relative intensities for comparing the fluorescent X-ray intensities before and after the formation of the region (surface layer 4a in the figure), the region amount corresponding to the element amount per unit area is evaluated. By performing data management or the like based on the results using a computer or the like, it is possible to evaluate a variation depending on the position of the region (X-ray irradiation region) on the substrate 4 for each substrate or on the substrate surface. At this time, paying attention to one substrate and moving the X-ray irradiation position in the xy direction and managing the evaluation result, it is also possible to evaluate the distribution of the region quantity in the plane. By this method, it is possible to evaluate fluctuations, variations, abnormal values, and the like of the concentration converted film thickness.

また、図8上図に示すように、例えばSiなどの基板上に、高(High)k値の膜(1)、メタル膜(2)、不純物ドーピングされたポリシリコン膜(3)などの多層構造を積層した場合においても、上記と同様に蛍光X線強度による評価を行うことができる。この場合には、図2に示すように、異なる元素からなる膜による蛍光X線は異なるエネルギー位置において観測されるため、それぞれの膜の評価を非破壊で一度に行うことができる。また、図8下図に示すように、基板内にある幅を有するゲート構造GP1、GP2、…などをあるピッチで形成した基板4の場合には、ゲート長が10nm程度、ピッチが100nm程度であれば、その中にゲート構造GPとそれ以外の領域であるフィールド領域とが多数形成されるため、ある領域(X線照射領域:スポット径)を、例えば1cm×100μmとすると、その領域内に多数のゲート構造を含むため、統計的な処理が可能となる。従って、得られる蛍光X線の強度により、ゲート構造を統計的に評価することができる。もちろん、基板上の堆積膜を加工する代わりに、基板自体を加工して、異なる元素組成の領域を露出させた構造の評価についても応用することができる。   Further, as shown in the upper diagram of FIG. 8, a multilayer such as a high (High) k value film (1), a metal film (2), and an impurity doped polysilicon film (3) on a substrate such as Si, for example. Even in the case where the structures are laminated, the evaluation by the fluorescent X-ray intensity can be performed in the same manner as described above. In this case, as shown in FIG. 2, since the fluorescent X-rays from the films made of different elements are observed at different energy positions, the evaluation of the respective films can be performed at a time without any destruction. As shown in the lower diagram of FIG. 8, in the case of the substrate 4 in which the gate structures GP1, GP2,... Having a certain width in the substrate are formed at a certain pitch, the gate length should be about 10 nm and the pitch should be about 100 nm. For example, a large number of gate structures GP and field regions other than the gate structure GP are formed in the region. Therefore, when a certain region (X-ray irradiation region: spot diameter) is, for example, 1 cm × 100 μm, a large number are included in the region. Since the gate structure is included, statistical processing is possible. Therefore, the gate structure can be statistically evaluated based on the intensity of the obtained fluorescent X-rays. Of course, instead of processing the deposited film on the substrate, it can be applied to the evaluation of a structure in which the substrate itself is processed to expose regions of different elemental compositions.

このように、基板中および/または基板上に存在する、当該基板とは元素組成が異なる領域を加工する場合に、加工を行った測定対象試料の当該領域を構成する元素からの蛍光X線強度と、同様の方法で得られた基準となる試料(濃度既知試料、基準となる未加工試料、基準となる加工前試料、基準となる加工後試料、その他基準となる試料、等)からの対応する元素からの蛍光X線強度を比較すること、あるいは、加工後基板間あるいは2点以上の同一加工後基板内の蛍光X線強度を比較することにより、加工量あるいは加工精度を評価することができる(図9参照)。   In this way, when processing a region present in and / or on the substrate and having an element composition different from that of the substrate, the fluorescent X-ray intensity from the element constituting the region of the measurement target sample that has been processed And correspondence from standard samples (concentration known samples, standard unprocessed samples, standard pre-processing samples, standard post-processing samples, other standard samples, etc.) obtained by the same method The amount of processing or processing accuracy can be evaluated by comparing the fluorescent X-ray intensities from the elements to be processed, or by comparing the fluorescent X-ray intensities between processed substrates or within two or more identical processed substrates. Yes (see FIG. 9).

すなわち、図9の左図では、基板全面に膜を堆積した試料を加工して多数の微細構造物を形成した基板4であって加工に成功した基板を準備し、これを基準試料とし、これを蛍光X線7により分析する。次いで、右図に示すように、ベルトコンベア上を流れる同様に加工した試料基板4についても同様のX線蛍光分析を行う。基準試料と測定対象試料との評価結果の比較に加えて、複数の測定対象試料の比較結果のみに基づいて評価を行うこともできる。これにより、蛍光X線強度を比較して、加工による膜成分の変動、ばらつき、異常値等の検出・評価を統計的に行うことができる。   That is, in the left diagram of FIG. 9, a substrate 4 that has been processed successfully is prepared, which is a substrate 4 in which a large number of fine structures are formed by processing a sample having a film deposited on the entire surface of the substrate. Is analyzed by fluorescent X-ray 7. Next, as shown in the right figure, the same X-ray fluorescence analysis is performed on the similarly processed sample substrate 4 flowing on the belt conveyor. In addition to the comparison of the evaluation results between the reference sample and the measurement target sample, the evaluation can be performed based only on the comparison results of the plurality of measurement target samples. Thereby, by comparing the fluorescent X-ray intensities, it is possible to statistically detect and evaluate fluctuations, variations, abnormal values, and the like of film components due to processing.

次に、図10に示すように、基板中および/または基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域の一部を取り除く加工、あるいは、別の基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域を付加する加工により線状の領域L1、L2、L3、…Lnを基板4上あるいは基板4中に作成する場合の評価においても、加工を行った測定対象試料から当該領域を構成する元素からの蛍光X線7の強度と、同様の方法で得られた基準となる試料(濃度既知試料、基準となる未加工試料、基準となる加工前試料、基準となる加工後試料、テストパターン、その他基準となる試料、等)からの対応する元素からの蛍光X線強度を比較するか、あるいは、加工後基板間あるいは2点以上の同一加工後基板内の蛍光X線強度を比較することにより、線状領域の評価を行うことあできる。その際、基準となる試料の蛍光X線強度と、微細線状加工を行った試料の蛍光X線強度と、を比較することにより、線状に加工された試料の線幅に対応する量を評価することも可能である。   Next, as shown in FIG. 10, processing for removing a part of a region having a different element composition from the substrate existing in and / or on the substrate, or a substrate existing in and on another substrate Even in the evaluation when the linear regions L1, L2, L3,... Ln are formed on the substrate 4 or in the substrate 4 by processing to add regions having different elemental compositions, the regions are extracted from the processed measurement target sample. The intensity of fluorescent X-rays 7 from the constituent elements and the reference sample obtained by the same method (concentration known sample, reference unprocessed sample, reference pre-processing sample, reference post-processing sample, Compare fluorescent X-ray intensities from the corresponding elements from test patterns, other reference samples, etc.), or compare fluorescent X-ray intensities between processed substrates or within two or more identical processed substrates By A linear region can be evaluated. At that time, by comparing the fluorescent X-ray intensity of the reference sample with the fluorescent X-ray intensity of the finely processed sample, an amount corresponding to the line width of the linearly processed sample is obtained. It is also possible to evaluate.

試料に入射したX線強度は、試料内部で次第に減衰し、試料表面からの距離が大きくなるほど、試料表面に比べて強度が弱くなる。単位深さあたりに強度が減衰する度合いは、入射角度が大きくなると小さくなる。したがって、入射角度が大きくなる程、表面と表面からある一定の深さでのX線強度の比は小さくなる。従って、入射X線は、深さ方向に対して均一に評価対象元素に照射される。入射角度を0度から次第に大きくすると、その均一性は臨界角度以上の入射角で急激に良くなる。一方、入射角度を大きくすると基板からの蛍光X線強度が大きくなりすぎるため、例えば4°以下にすることにより、より高精度の測定が可能である。さらに、入射X線が25mm以下の微小サイズのビームを利用することにより、基板面内分布など、より詳細な位置情報を含んだ測定が可能である。 The intensity of the X-ray incident on the sample is gradually attenuated inside the sample, and the intensity decreases as the distance from the sample surface increases. The degree of intensity attenuation per unit depth decreases as the incident angle increases. Therefore, as the incident angle increases, the ratio of the X-ray intensity at a certain depth from the surface decreases. Therefore, the incident X-ray is irradiated uniformly on the evaluation target element in the depth direction. When the incident angle is gradually increased from 0 degree, the uniformity is rapidly improved at an incident angle equal to or greater than the critical angle. On the other hand, if the incident angle is increased, the fluorescent X-ray intensity from the substrate becomes excessively high, so that, for example, by setting the angle to 4 ° or less, higher-accuracy measurement is possible. Furthermore, by using a very small beam having an incident X-ray of 25 mm 2 or less, it is possible to perform measurement including more detailed positional information such as a distribution in the substrate plane.

また、本実施の形態による技術は、半導体デバイス構造の作り込む際に用いられる基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なるHf、Zr、La、Ta、Ti、Ba、Sr、Cu、Ni、Co、Ce、Dy、Pr、Y、Sr、Gd、Pt、W、Mo、As、In、Sb、Au、Pのうち1種以上の元素で構成されるか、或いは、ガラス、高分子を含むのうち1種以上の元素を含む領域を評価する場合に適している。またSi、Ge、Ga 、As、C、In、N等の基板構成元素のうち1種以上の元素で構成される場合の評価にも、高い有用性を示す。また、試料にX線を入射し、試料中の薄膜層に存在する元素からの蛍光X線の強度を測定し、当該層を評価する方法を用いるため、nm程度の厚さや幅を持つ層を評価する場合に、他の非破壊的手法と異なり、物理的な限界がない。これは、1つ1つの構造物を測定対象とするのではなく、多数の同じパターンを含む領域を統計的に処理する結果となるからである。従って、他の評価法では物理的な限界が問題になる10nm以下の厚さを持つ基板中および基板上に存在する、基板とは元素組成が異なる領域の非破壊評価で、他の手法に比べて特に高い有用性を発揮するという利点がある。     In addition, the technology according to the present embodiment has a different element composition from the substrate existing in and on the substrate used when the semiconductor device structure is formed, Hf, Zr, La, Ta, Ti, Ba, Sr, Cu Ni, Co, Ce, Dy, Pr, Y, Sr, Gd, Pt, W, Mo, As, In, Sb, Au, or P, or glass, high This is suitable for evaluating a region containing one or more elements among molecules. In addition, it is highly useful for evaluation in the case where it is composed of one or more elements among the constituent elements of the substrate such as Si, Ge, Ga, As, C, In, and N. In addition, X-rays are incident on the sample, the intensity of fluorescent X-rays from the elements present in the thin film layer in the sample is measured, and a method having a thickness or width of about nm is used to evaluate the layer. Unlike other non-destructive methods, there are no physical limitations when evaluating. This is because each structure is not a measurement object, but a result of statistically processing a region including a large number of the same patterns. Therefore, other evaluation methods are non-destructive evaluations in regions where the elemental composition is different from the substrate present in and on a substrate having a thickness of 10 nm or less, where physical limitations are a problem. In particular, it has the advantage of exhibiting particularly high utility.

(多層膜の評価)
上記実施の形態では、基板中および基板上に存在する基板とは異なる元素を含む薄膜層は、単一の膜であることを前提として説明したが、図8に示すように、異なる組成を有する複数の層が積層された多層膜であっても良い。この場合には、上記のような蛍光X線の評価において、図2に示すように、膜の構成元素に関してピークを持つエネルギー位置の違いに基づいて、多層膜を構成するそれぞれの膜について、独立して上記のような、基板面内での元素組成の分布、膜厚の分布、異なる基板毎の元素組成の分布、膜厚の分布の評価を行うことも可能である。この場合には、従来、非破壊での評価が難しかった多層膜の膜毎に独立した評価を行うことができるため、大変便利である。
(Evaluation of multilayer film)
In the above embodiment, the thin film layer containing an element different from the substrate existing in and on the substrate has been described on the premise that it is a single film, but as shown in FIG. 8, it has a different composition. It may be a multilayer film in which a plurality of layers are laminated. In this case, in the evaluation of the fluorescent X-rays as described above, as shown in FIG. 2, each film constituting the multilayer film is independently determined based on the energy position having a peak with respect to the constituent elements of the film. As described above, it is also possible to evaluate the distribution of the elemental composition, the distribution of the film thickness, the distribution of the elemental composition for each different substrate, and the distribution of the film thickness within the substrate surface. In this case, since independent evaluation can be performed for each film of a multilayer film, which has conventionally been difficult to evaluate non-destructively, it is very convenient.

尚、上記実施の形態では、半導体デバイスの製造に本発明を適用する場合について説明したが、その他の電子・光デバイス、例えば有機EL等のディスプレイの製造工程における試料評価に利用できることは言うまでもない。すなわち、上記の実施の形態では、基板を例にして説明しているが、基板という用語を、半導体の分野における円形の薄い半導体基板という意図のみで用いているのではなく、より厚い試料などの評価にも用いることができる。この際、平坦な平面を有する試料の該平坦面における評価に適している。   In the above embodiment, the case where the present invention is applied to the manufacture of a semiconductor device has been described, but it goes without saying that the present invention can be used for sample evaluation in the manufacturing process of other electronic / optical devices such as organic EL displays. That is, in the above embodiment, the substrate is described as an example. However, the term “substrate” is not used only for the purpose of a circular thin semiconductor substrate in the field of semiconductors, but a thicker sample or the like. It can also be used for evaluation. At this time, it is suitable for evaluation on a flat surface of a sample having a flat surface.

また、上記の実施の形態において、添付図面に図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。   In the above-described embodiment, the configuration and the like illustrated in the accompanying drawings are not limited to these, and can be changed as appropriate within the scope of the effects of the present invention. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the object of the present invention.

また、本実施の形態で説明した評価方法・機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。尚、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。   Also, by recording a program for realizing the evaluation method / function described in the present embodiment on a computer-readable recording medium, and causing the computer system to read and execute the program recorded on the recording medium You may perform the process of each part. The “computer system” here includes an OS and hardware such as peripheral devices.

また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。   Further, the “computer system” includes a homepage providing environment (or display environment) if a WWW system is used.

また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また前記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。   The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” dynamically holds a program for a short time like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, a volatile memory in a computer system serving as a server or a client in that case, and a program that holds a program for a certain period of time are also included. The program may be a program for realizing a part of the above-described functions, or may be a program that can realize the above-described functions in combination with a program already recorded in a computer system.

(まとめ)
本実施の形態によれば、蛍光X線強度を検出器で測定する方法であるため検出感度が高く、十分な検出カウントを確保することで0.1%以下まで精度を高めることが可能である上に、蛍光X線を出す元素であれば原理的に測定可能であるため、物理的な限界がなく、ナノメートルオーダー以下のサイズの領域でも測定可能である。このため、基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域量やその加工に関する評価、およびそのプロセス管理により、半導体デバイス、ナノ材料等、微細構造を持つ材料の評価を精度良く行うことができる。
(Summary)
According to the present embodiment, since the fluorescent X-ray intensity is measured by the detector, the detection sensitivity is high, and it is possible to increase the accuracy to 0.1% or less by securing a sufficient detection count. In addition, since any element that emits fluorescent X-rays can be measured in principle, there is no physical limit, and measurement is possible even in a nanometer-order region or less. For this reason, it is possible to accurately evaluate a material having a fine structure, such as a semiconductor device, a nanomaterial, etc., by evaluating an amount of a region having a different element composition from the substrate existing on or on the substrate, processing thereof, and process management thereof. be able to.

本発明は、半導体ラインにおける半導体装置の評価技術に利用可能である。   The present invention can be used for a technique for evaluating a semiconductor device in a semiconductor line.

本実施の形態による蛍光X線分析装置の一構成例を示す図である。It is a figure which shows the example of 1 structure of the fluorescent X ray analysis apparatus by this Embodiment. Si基板を用いたエネルギー離散X線スペクトルの一例を示す図であり。It is a figure which shows an example of an energy discrete X-ray spectrum using Si substrate. 波長0.071nmの一次Mo−Kα線を基板に照射した際における、表面側での蛍光X線強度(Intensity)とX線の進入深さとのX線の傾斜角度α依存性を示す図である。It is a figure which shows the inclination-angle (alpha) dependence of the X-ray of the fluorescent X ray intensity (Intensity) by the surface side at the time of irradiating the board | substrate with the primary Mo-K alpha ray of wavelength 0.071nm and the penetration depth of X ray. . AsのKαの蛍光X線のカウント数のSi基板の傾斜角依存性を示す図である。It is a figure which shows the inclination-angle dependence of the Si substrate of the count number of the fluorescent X-ray of Kα of As. 本実施の形態による半導体基板評価システムの概略構成例を示す図である。It is a figure which shows the example of schematic structure of the semiconductor substrate evaluation system by this Embodiment. 評価する試料にX線を入射し、その入射したX線により励起される当該領域を構成する元素からの蛍光X線強度と、測定対象となる元素の単位面積当たりの量が既知の試料からの蛍光X線強度と、を比較することにより、当該領域量を原子量換算量(単位面積当たりの原子量に換算した量)で定量測定する様子を示す図である。X-rays are incident on the sample to be evaluated, and the fluorescent X-ray intensity from the elements constituting the region excited by the incident X-rays and the amount per unit area of the element to be measured are from a known sample. It is a figure which shows a mode that the said amount of area | region is quantitatively measured by atomic weight conversion amount (amount converted into atomic weight per unit area) by comparing with fluorescent X-ray intensity. 図7は、図6とは異なる手法による評価技術を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an evaluation technique based on a method different from that in FIG. 基板全面に膜を堆積した試料を加工して多数の微細構造物を形成した基板であって加工に成功した基板を準備し、これを基準試料とし、これを蛍光X線により分析する様子を示す図である。Shows how a sample with a film deposited on the entire surface of the substrate is processed to form a large number of fine structures and the substrate is successfully processed, and this is used as a reference sample and analyzed by fluorescent X-rays FIG. 基板中および/または基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域の一部を取り除く加工、あるいは、別の基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域を付加する加工により線状の領域を基板上あるいは基板中に作成する場合の評価の様子を示す図である。By removing a part of the region having an element composition different from that of the substrate existing in and / or on the substrate, or by adding a region having an element composition different from that of the substrate existing in and on another substrate. It is a figure which shows the mode of evaluation in the case of producing a linear area | region on a board | substrate or in a board | substrate. 蛍光X線強度を比較して、線状に加工された試料の評価を行う様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the fluorescent X-ray intensity | strength is compared and the sample processed into the linear form is evaluated. 特許文献1に記載の蛍光X線分析法の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the fluorescent-X-ray-analysis method described in patent document 1.

符号の説明Explanation of symbols

4…評価対象試料(基板等)、1…X線源、2…モノクロメータ、3…X線、5…照射領域。 4 ... sample to be evaluated (substrate etc.), 1 ... X-ray source, 2 ... monochromator, 3 ... X-ray, 5 ... irradiation region.

Claims (17)

基板中および/または基板上に設けられ、前記基板とは元素組成が異なる領域の評価方法であって、
評価対象試料にX線を照射するステップと、
照射されたX線により励起される照射領域における構成元素からの蛍光X線の強度と、(同様の方法で得られた)基準試料の対応する前記構成元素からの蛍光X線強度とを比較するステップ、または、評価対象試料間あるいは2点以上の同一試料内の蛍光X線強度を比較するステップと、を有することを特徴とする蛍光X線分析方法。
An evaluation method of a region provided in and / or on a substrate, the region having a different elemental composition from the substrate,
Irradiating the sample to be evaluated with X-rays;
Compare the intensity of fluorescent X-rays from the constituent elements in the irradiated region excited by the irradiated X-rays and the fluorescent X-ray intensity from the corresponding constituent elements of the reference sample (obtained in the same way) And a step of comparing the X-ray fluorescence intensities between the samples to be evaluated or in two or more identical samples.
基板中および/または基板上に設けられ、基板とは元素組成が異なる領域の評価方法であって、
評価対象試料にX線を照射するステップと、
照射されたX線により励起される照射領域における構成元素からの蛍光X線の強度と、(同様の方法で得られた)基準となる試料の対応する前記構成元素からの蛍光X線の強度とを比較し、基板中および/または基板上に存在する当該領域量を、単位面積当たりの原子数に換算した量又は単位面積当たりの原子数に換算した量に比例した値を算出するステップと、を有することを特徴とする蛍光X線分析方法。
A method for evaluating a region provided in and / or on a substrate and having a different elemental composition from the substrate,
Irradiating the sample to be evaluated with X-rays;
The intensity of fluorescent X-rays from the constituent elements in the irradiated region excited by the irradiated X-rays, and the intensity of fluorescent X-rays from the corresponding constituent elements of the reference sample (obtained by the same method) And calculating a value proportional to the amount converted into the number of atoms per unit area, or the amount converted into the number of atoms per unit area, the amount of the region present in and / or on the substrate, A fluorescent X-ray analysis method characterized by comprising:
基板中および/または基板上に設けられ、基板とは元素組成が異なる領域の一部また全部を取り除く加工を行った場合、あるいは、別の基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域を付加する加工を行った場合における評価方法であって、
評価対象基板にX線を照射するステップと、
照射されたX線により励起される当該領域における前記構成元素からの蛍光X線の強度と、(同様の方法で得られた)基準となる試料の対応する元素からの蛍光X線の強度と、を比較するステップ、あるいは、加工後試料間あるいは2点以上の同一加工後の試料面内の蛍光X線強度を比較するステップと、を有することを特徴とする蛍光X線分析方法。
When the processing is performed to remove part or all of the region provided in and / or on the substrate and having a different elemental composition from the substrate, or the elemental composition is different from the substrate existing in and on another substrate. It is an evaluation method when processing to add different areas,
Irradiating the target substrate with X-rays;
The intensity of the fluorescent X-rays from the constituent elements in the region excited by the irradiated X-rays, the intensity of the fluorescent X-rays from the corresponding elements of the reference sample (obtained by the same method), Or a step of comparing fluorescent X-ray intensities between samples after processing or within two or more samples after the same processing.
基板中および/または基板上に設けられ、基板とは元素組成が異なる領域の一部を取り除き線状の領域を形成する加工を行った場合、あるいは、別の基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域を付加することで線状の領域を形成する加工を行った場合における評価方法であって、
評価対象基板にX線を照射するステップと、
照射されたX線により励起される当該領域における前記構成元素からの蛍光X線の強度と、(同様の方法で得られた)基準となる試料の対応する元素からの蛍光X線の強度と、を比較するステップ、または、評価対象試料間あるいは2点以上の同一評価対象試料面内の蛍光X線強度を比較するステップと、を有することを特徴とする蛍光X線分析方法。
Substrate that is provided in and / or on the substrate and is processed to remove a part of the region having a different element composition from the substrate to form a linear region, or in another substrate and on the substrate Is an evaluation method when processing to form a linear region by adding regions having different elemental compositions,
Irradiating the target substrate with X-rays;
The intensity of the fluorescent X-rays from the constituent elements in the region excited by the irradiated X-rays, the intensity of the fluorescent X-rays from the corresponding elements of the reference sample (obtained by the same method), Or a step of comparing fluorescent X-ray intensities between evaluation target samples or two or more points within the same evaluation target sample surface.
前記評価対象は、同じ微細パターンを有する多数の基板間又は同じ微細パターンを有する1枚の基板面内であることを特徴とする請求項1から4までのいずれか1項に記載の蛍光X線分析方法。   The fluorescent X-ray according to any one of claims 1 to 4, wherein the object of evaluation is between a plurality of substrates having the same fine pattern or within a single substrate surface having the same fine pattern. Analysis method. 基板に入射する前記X線の入射角度は臨界角度以上であることを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載の蛍光X線分析方法。   6. The X-ray fluorescence analysis method according to claim 1, wherein an incident angle of the X-rays incident on the substrate is equal to or greater than a critical angle. 前記基板とは異なる元素を含む層が、Hf、Zr、La、Ta、Ti、Ba、Sr、Cu、Ni、Co、Ce、Dy、Pr、Y、Sr、Gd、Pt、W、Mo、As、In、Sb、Au、Pのうち1種以上の元素で構成されることを特徴とする請求項1から6までのいずれか1項に記載の蛍光X線分析方法。   The layer containing an element different from the substrate is Hf, Zr, La, Ta, Ti, Ba, Sr, Cu, Ni, Co, Ce, Dy, Pr, Y, Sr, Gd, Pt, W, Mo, As 7. The fluorescent X-ray analysis method according to claim 1, comprising at least one element selected from the group consisting of In, Sb, Au, and P. 8. 前記基板がSi、Ge、Ga、As、C、In、Nのうち1種以上の元素で構成されるか、或いは、ガラス、高分子を含むことを特徴とする請求項1から8までのいずれか1項に記載の蛍光X線分析方法。   9. The substrate according to claim 1, wherein the substrate is made of one or more elements selected from Si, Ge, Ga, As, C, In, and N, or contains glass or a polymer. The fluorescent X-ray analysis method according to claim 1. 基板上の2箇所以上で測定を行い、評価結果のマッピングを行うことを特徴とする請求項1から8までのいずれか1項に記載の蛍光X線分析方法。   9. The fluorescent X-ray analysis method according to claim 1, wherein measurement is performed at two or more locations on the substrate, and evaluation results are mapped. 請求項1から9までのいずれか1項に記載の方法において、基板中および基板上に存在する基板とは異なる元素を含む薄膜層の評価することを特徴とする蛍光X線分析方法。   10. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the thin film layer containing an element different from the substrate existing in and on the substrate is evaluated. 前記基板中および基板上に存在する基板とは元素組成が異なる領域の厚さが10nm以下であることを特徴とする請求項1から10までのいずれか1項に記載の蛍光X線分析方法。   The fluorescent X-ray analysis method according to any one of claims 1 to 10, wherein a thickness of a region having an element composition different from that of the substrate existing in and on the substrate is 10 nm or less. 請求項1から11までのいずれか1項に記載の方法において、基板中および基板上に存在する基板とは異なる元素を含む薄膜層は、異なる組成を有する複数の層が積層された多層膜であり、前記蛍光X線の評価においてピークを持つエネルギー位置の違いに基づいて多層膜を構成するそれぞれの膜を独立して評価することを特徴とする蛍光X線分析方法。   12. The method according to claim 1, wherein the thin film layer containing an element different from the substrate existing in and on the substrate is a multilayer film in which a plurality of layers having different compositions are laminated. A method for analyzing X-ray fluorescence, wherein each film constituting the multilayer film is independently evaluated based on a difference in energy position having a peak in the evaluation of the fluorescent X-ray. 前記ピーク同士が重なる場合には、ピークプロファイルの全体の頂点部分のエネルギー又は外部から取得したエネルギー値により、分離したい複数のスペクトルの中心位置を決めてピーク分離して各スペクトルの強度解析を行うステップを含むことを特徴とする請求項12に記載の蛍光X線分析方法。   In the case where the peaks overlap with each other, a step of determining the center positions of a plurality of spectra to be separated and performing an intensity analysis of each spectrum by deciding the center position of a plurality of spectra to be separated according to the energy of the entire peak portion of the peak profile or the energy value acquired from the outside The fluorescent X-ray analysis method according to claim 12, comprising: 評価対象基板上に、X線を照射する位置に設けられたX線源と、
X線が照射された領域に存在する元素を励起して前記評価対象基板から出射される蛍光X線を検出する検出器と、
該検出器により検出された蛍光X線に基づいて、基板内又は基板間の異なる照射位置における蛍光X線強度を比較する比較器と
を有することを特徴とする蛍光X線分析装置。
An X-ray source provided at a position to irradiate X-rays on the evaluation target substrate;
A detector for detecting fluorescent X-rays emitted from the evaluation target substrate by exciting elements present in the region irradiated with X-rays;
A fluorescent X-ray analysis apparatus comprising: a comparator for comparing fluorescent X-ray intensities at different irradiation positions within a substrate or between substrates based on the fluorescent X-rays detected by the detector.
前記評価対象基板の中心から延びる基板面の法線を回転軸とする面内回転機構と、入射X線の入射角度(α1)を変更することができる傾斜角度変更機構と、基板面における測定位置を変更できる移動機構とを有していることを特徴とする請求項14に記載の蛍光X線分析装置。   An in-plane rotation mechanism having a normal to the substrate surface extending from the center of the evaluation target substrate as a rotation axis, an inclination angle changing mechanism capable of changing an incident angle (α1) of incident X-rays, and a measurement position on the substrate surface The fluorescent X-ray analyzer according to claim 14, further comprising: a moving mechanism that can change the angle. 異なるエネルギー位置において観測される蛍光X線強度に基づいて、異なるエネルギーに対応する異なる元素からなる多層膜の成膜量を評価する手段を備えることを特徴とする請求項14又は15に記載の蛍光X線分析装置。   16. The fluorescence according to claim 14 or 15, further comprising means for evaluating a film formation amount of a multilayer film made of different elements corresponding to different energies based on fluorescent X-ray intensities observed at different energy positions. X-ray analyzer. 複数の前記評価対象基板を搬送する搬送機構と、
該搬送機構により搬送される前記評価対象基板を評価する位置に設けられた請求項14から16までのいずれか1項に記載の蛍光X線分析装置と、
複数の前記評価対象基板ID又は基板内の位置と、前記検出器による比較結果と、を対応付けて算出し保存する評価装置とを有することを特徴とする半導体装置の評価システム。
A transport mechanism for transporting the plurality of evaluation target substrates;
The fluorescent X-ray analyzer according to any one of claims 14 to 16, provided at a position for evaluating the evaluation target substrate transported by the transport mechanism;
An evaluation system for a semiconductor device, comprising: an evaluation device that calculates and stores a plurality of evaluation target substrate IDs or positions in the substrate and a comparison result by the detector.
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