JP2020176988A - 微細構造の解析方法、装置およびプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明では、実験室レベルで実行可能な透過型のCD−SAXSによって試料の散乱体の形状等を分析する。特に三次元NANDやDRAMなど、深溝微細加工パターンを持つ半導体デバイスの形状を分析するのに適している。
図1は、透過型のCD−SAXSの測定系を示す斜視図である。透過型のCD−SAXSでは、試料表面に対して垂直にX線を入射する方位を基準として試料回転(ω回転)を行い、各回折線の積分強度の試料回転角度依存性を測定する。試料回転を行うのは、散乱ベクトルQZを変化させて深さ方向の情報を取得するためである(式(1)のQZ参照)。
(X線小角散乱強度)
上記のように屈折や多重反射の影響の小さい透過型のCD−SAXSでは、式(7)に示すように、X線小角散乱強度I(Q)がボルン近似(系全体での電子数密度分布ρ(r)のフーリエ変換の絶対値の二乗)で計算できる。
単位格子は、図2(a)に示すように、単位格子の面積が最小になるような単純格子U1で取っても、設定しやすい格子U2で取ってもよい。図2(a)では、各単位格子の独立なサイトをハッチングの円で示している。サイトによらず共通の電子密度分布および形状を持つ場合、単位格子内の散乱振幅を表す単位格子内の積分は、一つの散乱体の積分である散乱体形状因子Fと構造因子Sとの積で記述できる。
板状試料によるX線の散乱強度は、形状モデルで表される散乱体が板状試料の表面に平行な方向に周期的に配列している状態を仮定して算出することができる。図3(a)、(b)は、それぞれ形状モデルを示すXY断面図およびXZ断面図である。図3(a)、(b)に示すように、パラメータで表した形状モデルを用いて、フィッティングで散乱体のパラメータを決定することができる。
アスペクト比の高いホールによるパターンに対しては、わずかな加工条件の変動によって複雑なパターン形状が生成される。したがって、場合によっては、上記に挙げた寸法や特徴的なパラメータだけでは記述できないより複雑なパターン形状を持つこともある。このようなパターンに対しても高いロバスト性で形状計測を実現できることが好ましい。
例えば、最小二乗法では、実験データと計算データの残差二乗和χ2が最小になるように解析を行う。しかし、計測感度が足りないにもかかわらずスライス層の数を増やすと自由度が高すぎてパラメータが決まりきらず、実際にはあり得ない鋸歯状の断面が得られてしまう場合がある。このような場合、一例として、以下のように断面の経路積分も最小になるような重みを付加することができる。経路積分なしの残差二乗和χ2は、式(19)の通りである。
特に、モデルフリー解析では断面形状を決定するために試料を回転させた複数枚の回折像データを取得することが重要である。測定に必要な試料回転ω軸の角度範囲とサンプリング間隔について説明する。
図6は、測定システム100の構成を示すブロック図である。測定システム100は、測定装置110および解析装置120を備え、X線を板状試料に照射して、散乱強度の測定により透過型のCD−SAXSの測定を可能にする。解析装置120は、測定装置110を制御するとともに、制御データとともに測定データを管理し、データの解析を可能にする。具体的な構成を以下に説明する。
図7は、測定装置110の構成を示す平面図である。測定装置110は、X線源111、ミラー112、スリットS1、S2、GS、試料台115、真空経路116、ビームストッパ118、検出器119を備えている。X線源111から試料S0までの距離L0、カメラ長Lについては、例えばそれぞれを1000mm、3000mmに設定できる。
解析装置120は、例えばメモリおよびプロセッサを有するPCで構成されており、プログラムの実行により各処理の実行が可能である。測定装置110から得られる測定データを処理することで、厚み方向に長い散乱体が周期的に配列して形成された板状試料の微細構造の解析が可能になっている。解析装置120は、制御部121、数式記憶部122、測定データ記憶部123、強度算出部125、フィッティング部126およびパラメータ決定部127を備えている。
次に、上記のシステムの構成を用いた測定および解析の方法について説明する。図8は、測定および解析の方法を示すフローチャートである。図8に示すように、まず、板状試料を設置する(ステップS101)。そして、複数のω回転角での散乱強度を測定する(ステップS102)。
深さ方向に長いホールが表面に平行な方向に周期的に配列された半導体基板の試料について透過型のCD−SAXSによるX線の散乱強度を測定し、モデル解析およびモデルフリー解析により、パターンの特定を行った。
モデル解析により、特定の試料についてパラメータを決定した。図9(a)、(b)は、それぞれ用いた板状試料の仕様を示す平断面図および側断面図である。図9(a)、(b)に示すように、シリコン基板上に格子定数a=b=120nm、格子角度γ=60°で直径80nm、深さ3μmのホールを周期的に形成したシリコン基板を用いた。
モデルフリー解析により、特定の試料についてホール形状を特定した。図14(a)、(b)は、それぞれ用いた板状試料の仕様を示す平断面図および側断面図である。図14(a)、(b)に示すように、シリコン基板上に格子定数a=b=120nm、格子角度γ=60°で直径80nm、深さ3μmのホールを周期的に形成したシリコン基板を用いた。ただし、ホールは、深さ1.5μm付近で段差を有している。
110 測定装置
111 X線源
112 ミラー
115 試料台
116 真空経路
118 ビームストッパ
119 検出器
120 解析装置
121 制御部
122 数式記憶部
123 測定データ記憶部
125 強度算出部
126 フィッティング部
127 パラメータ決定部
S0 板状試料
U1 単純格子
U2 格子
a、b 格子定数
γ 格子角度
ω 回転角
Claims (9)
- 厚み方向に長い散乱体が周期的に配列して形成された板状試料の微細構造の解析方法であって、
複数のω回転角でX線の透過により測定された板状試料からの散乱強度のデータを準備するステップと、
特定の条件の下で、前記板状試料によって散乱されたX線の散乱強度を算出するステップと、
前記算出された散乱強度を前記測定された散乱強度にフィッティングするステップと、
前記フィッティングの結果により前記板状試料における散乱体の形状を決定するステップと、を含むことを特徴とする解析方法。 - 前記算出されたX線の散乱強度は、
パラメータで特定された散乱体が前記板状試料の表面に平行な方向に周期的に配列している形状モデルを仮定して算出することを特徴とする請求項1記載の解析方法。 - 前記算出されたX線の散乱強度は、
前記散乱体がそれぞれの形状を有する層の前記板状試料の厚み方向への積層により形成されているという条件の下で算出することを特徴とする請求項1記載の解析方法。 - 前記散乱体の各層は、断面形状の中心位置および大きさで特定されることを特徴とする請求項3記載の解析方法。
- 前記板状試料は、多層膜で形成されていることを特徴とする請求項3または請求項4記載の解析方法。
- 前記層のうち隣り合う層が互いに連続的に結合するための拘束条件の下で前記フィッティングを行うことを特徴とする請求項3から請求項5のいずれかに記載の解析方法。
- 前記板状試料は、シリコンで形成され、
前記散乱体の長さは、200nm以上20μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の解析方法。 - 厚み方向に長い散乱体が周期的に配列して形成された板状試料の微細構造の解析装置であって、
複数のω回転角でX線の透過により測定された板状試料からの散乱強度のデータを記憶する測定データ記憶部と、
特定の条件の下で、前記板状試料によって散乱されたX線の散乱強度を算出する強度算出部と、
前記算出された散乱強度を前記測定された散乱強度にフィッティングするフィッティング部と、
前記フィッティングの結果を用いて前記板状試料における散乱体の形状を決定するパラメータ決定部と、を備えることを特徴とする解析装置。 - 厚み方向に長い散乱体が周期的に配列して形成された板状試料の微細構造の解析プログラムであって、
複数のω回転角でX線の透過により測定された板状試料からの散乱強度のデータを準備する処理と、
特定の条件の下で、前記板状試料によって散乱されたX線の散乱強度を算出する処理と、
前記算出された散乱強度を前記測定された散乱強度にフィッティングする処理と、
前記フィッティングの結果により前記板状試料における散乱体の形状を決定する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とする解析プログラム。
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