JP2023542674A - Ｘ線を用いた深さ分解計測および分析のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Ｘ線を用いた深さ分解計測および分析のためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

試料の３次元構造を分析するためのシステムおよび方法は、第１のＸ線ビームを生成することであって、第１のＸ線ビームは、半値全幅で２０ｅＶ未満の第１のエネルギー帯域幅と、第１の対象原子元素の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ高い範囲にある第１の平均Ｘ線エネルギーとを有し、第１のＸ線ビームの伝播方向に垂直な少なくとも１つの方向において７ｍｒａｄ未満の第１のコリメーション角度範囲を有するようにコリメートされる、生成することと、試料の実質的に平坦な表面に対して複数の入射角で第１のＸ線ビームを試料に照射することであって、複数の入射角の入射角は、３ｍｒａｄ～４００ｍｒａｄの範囲にある、照射することと、同時に前記試料からの前記第１のＸ線ビームの反射部分を検出するとともに前記試料からのＸ線蛍光Ｘ線および／または光電子を検出することと、を含む。

Description

優先権主張
本出願は、２０２０年９月１７日に出願された米国仮特許出願第６３／０７９，９４０号に対する優先権主張の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
背景
分野
本出願は、一般に、Ｘ線反射率測定、Ｘ線蛍光、および／またはＸ線光電子分光法を使用して試料を分析するためのシステムおよび方法に関する。
関連技術の説明
スケーリングに対する物理的な制限は、半導体産業を自然に３Ｄアーキテクチャに向けさせており、それは多くの場合、多数の材料を含むナノメートル厚のマルチスタック層を含む。例は、ゲートオールアラウンド（ＧＡＡ）電界効果トランジスタ、３Ｄ ＮＡＮＤメモリデバイス、および磁気抵抗ランダムアクセスメモリを含む。これらのデバイスを製造することは、薄膜および膜スタックの堆積、ドーピング、エッチング、ならびに化学機械研磨を含む多くの処理ステップを含む。
製造時のデバイスの寸法および／または材料計測は、研究開発中および検査（例えば、製造時のデバイスが許容可能なパラメータまたはプロセスウィンドウ内にあることを保証するための処理ステップの多くの間のプロセス監視）の両方に使用される。対象となる典型的なパラメータは、膜構造寸法（例えば、膜厚）、元素または特定の材料の分布、ドーパント濃度、元素組成、化学種、および他のパラメータが含まれる。３Ｄアーキテクチャでは、２ｎｍ以上の深さ分解能（例えば、ウエハの表面に垂直な空間分解能）が望ましい場合がある。
新規な３Ｄ半導体アーキテクチャの最新の一例は、ナノシートおよびナノワイヤを含むゲートオールアラウンド（ＧＡＡ）デバイスのものである。製造中のプロセス監視および計測に望ましい情報は、初期超格子の構造情報（例えば、ＳｉナノシートおよびＳｉＧｅ層の厚さ）、犠牲ナノシート層の除去後の残留物、酸化ケイ素形成、およびゲート誘電体層に関連するパラメータを含む。ゲート誘電体層に関連するパラメータは、各ナノシートの周りの深さ方向の誘電体厚さ、ナノシートの上部と下部の誘電体の厚さの間の差の変動、誘電体の各層の（仕事関数を調整するために使用される）ドーパントの変動、およびドーパント拡散を含む。
３Ｄアーキテクチャは、計測および検査に対する困難な従来の手法である。入射Ｘ線を使用する特性評価技術は、破壊的な試料調製を必要とせず、表面下の構造を検出するための透過を提供することができるため、固有の利点を提供する。Ｘ線反射率（ＸＲＲ）は、埋め込み層の粗さおよび拡散性、ならびに単層および多層スタックの厚さを含む表面および界面をサブナノメートルの分解能で特性評価するのに有用な技術である。
ＸＲＲ曲線は、試料の表面法線に沿った電子密度分布によっておおむね決定され、元素および材料の特異性を欠く。厚さ、界面粗さ、異なる材料組成および質量密度を含むパラメータの異なるセットが、特にいくつかの用途ではスループット要件によって制限される短いデータ収集時間などの様々な要因に起因して低い信号対雑音比を有するＸＲＲに対して同じＸＲＲ曲線をもたらす可能性があるため、ＸＲＲ自体による構造決定は不適切な逆問題である。
概要
本明細書に開示される一態様では、試料の３次元構造を分析するための方法が提供される。本方法は、半値全幅で２０ｅＶ未満の第１のエネルギー帯域幅と、第１の対象原子元素の第１の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ（例えば、１ｅＶ～５ｅＶの範囲）高い範囲にある第１の平均Ｘ線エネルギーとを有する第１のＸ線ビームを生成することを含む。第１のＸ線ビームは、第１のＸ線ビームの第１の伝播方向に垂直な少なくとも１つの方向において７ｍｒａｄ未満の第１のコリメーション角度範囲を有するようにコリメートされる。本方法は、試料の実質的に平坦な表面に対して複数の入射角で第１のＸ線ビームを試料に照射することをさらに含む。複数の入射角の入射角は、３ｍｒａｄ～４００ｍｒａｄの範囲にある。本方法は、同時に、試料からの第１のＸ線ビームの反射部分を検出し、試料からのＸ線蛍光Ｘ線および／または光電子を検出することをさらに含む。
本明細書に開示される他の態様では、実質的に平行な界面を備える層状構造を分析するための方法が提供される。本方法は、実質的に平行な界面に対して３ｍｒａｄ～４００ｍｒａｄの範囲の１つまたは複数の入射角で入射Ｘ線ビームを層状構造に照射することを含む。入射Ｘ線ビームは、半値全幅で２０ｅＶ未満のエネルギー帯域幅と、対象原子元素の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ（例えば、１ｅＶ～５ｅＶの範囲）高い範囲にある平均Ｘ線エネルギーとを有する。入射Ｘ線ビームは、入射Ｘ線ビームと、層状構造の実質的に平行な界面によって反射された入射Ｘ線ビームのＸ線との建設的および破壊的干渉によって層状構造の内部にＸ線強度変調を生成するのに十分なコヒーレンスを有する。本方法は、同時に、実質的に平行な界面によって反射されたＸ線の少なくとも一部を検出し、層状構造からのＸ線蛍光Ｘ線および／または光電子を検出することをさらに含む。
本明細書に開示される他の態様では、試料の３次元構造を分析するためのシステムが提供される。システムは、半値全幅で２０ｅＶ未満のエネルギー帯域幅と、対象原子元素の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ高い範囲にある平均Ｘ線エネルギーとを有する少なくとも１つのＸ線ビームを生成するように構成された少なくとも１つのＸ線源を備える。少なくとも１つのＸ線ビームは、少なくとも１つのＸ線ビームの伝播方向に垂直な少なくとも１つの方向において７ｍｒａｄ未満のコリメーション角度範囲を有するようにコリメートされる。少なくとも１つのＸ線源は、試料の実質的に平坦な表面に対して複数の入射角で試料を照射するように少なくとも１つのＸ線ビームを向けるようにさらに構成される。複数の入射角の入射角は、３ｍｒａｄ～４００ｍｒａｄの範囲にある。システムは、試料からの少なくとも１つのＸ線ビームの反射部分を検出するように構成された少なくとも１つの第１の検出器をさらに備える。システムは、少なくとも１つの第１の検出器が少なくとも１つのＸ線ビームの反射部分を検出するのと同時に、試料からのＸ線蛍光Ｘ線および／または光電子を検出するように構成された少なくとも１つの第２の検出器をさらに備える。
本明細書に記載される特定の実施態様による、分析されるべき試料からのＸＲＲおよびＸＲＦおよび／またはＸＰＳのための例示的なシステムの概略図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による例示的なＸ線発生器の概略図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による例示的なＸ線発生器によって生成されたＸ線を受け取る例示的なＸ線光学サブシステムの概略図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による、図３Ａの第２のＸ線光学素子の出口端における例示的な開口の概略図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による、試料の３次元構造を分析するための例示的な方法の流れ図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による、試料の３次元構造を分析するための他の例示的な方法の流れ図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による、試料の３次元構造を分析するための他の例示的な方法の流れ図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による、図４Ａの例示的な方法の態様を含む他の例示的な方法の流れ図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による、図４Ｂの例示的な方法の態様を含む他の例示的な方法の流れ図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による、検査（例えば、プロセス監視）のための例示的な方法の流れ図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による半導体ナノシートスタック構造の３つの例示的なシミュレーションモデルの概略図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による、３つのＸ線エネルギーを使用して収集されるようにシミュレートされた図７Ａの３つの例示的なシミュレーションモデルに対応するシミュレートされたＸＲＲデータのグラフ（例えば、曲線）である。 本明細書に記載される特定の実施態様による、３つのＸ線エネルギーにおける図７Ｂの３つのＸＲＲ曲線間の単純な減算によるシミュレートされた差のグラフである。 本明細書に記載される特定の実施態様による、１．７４ｋｅＶの励起Ｘ線エネルギーを用いた入射角の関数としてのＨｆＭ５Ｎ７特性ＸＲＦ線のシミュレートされた信号のグラフである。 本明細書に記載される特定の実施態様による、界面および表面の粗さに対する感度を示す３つの異なるＸ線エネルギーにおけるシミュレートされたＸＲＲ信号差のグラフである。 本明細書に記載される特定の実施態様による半導体ナノシートスタック構造の２つの例示的なシミュレーションモデルの概略図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による、２つの異なる励起Ｘ線エネルギーでの図８Ａの２つのモデルからのシミュレートされたＸＲＦ信号のグラフである。 本明細書に記載される特定の実施態様による、２つの励起Ｘ線エネルギーにおける図８Ｂの２つのＨｆ ＸＲＦ曲線間の単純な減算によるシミュレートされた差のグラフである。 本明細書に記載される特定の実施態様による、３つのＸ線エネルギーを使用して図８ＡのＳｉナノシート構造から収集されるようにシミュレートされた図８Ａの２つの例示的なシミュレーションモデルに対応するシミュレートされたＸＲＲ信号のグラフ（例えば、曲線）である。 本明細書に記載される特定の実施態様による、図８ＤのシミュレートされたＸＲＲ信号間の差のグラフである。 本明細書に記載される特定の実施態様による、ＸＲＦ信号が２つの異なる対象原子元素について収集される２エネルギー法の結果を示すグラフである。 本明細書に記載される特定の実施態様による、入射Ｘ線ビームによって照射される層状材料構造の概略図である。 本明細書に記載される特定の実施態様による、層状材料構造からの計算されたＸＲＲ曲線と、層状材料構造の３つの示された界面における相対位相差とを示す図である。
詳細な説明
元素の特異性を加えるために、元素および材料の情報を得るためにＸＲＲとともにＸ線光電子スペクトル（ＸＰＳ）およびＸ線蛍光信号（ＸＲＦ）を収集することが以前に開示されている（例えば、Ｗｕらの米国特許第１０，１５１，７１３号）。しかしながら、そのような以前のシステムは、適切に対処されなかった様々な制限を有していた。例えば、ＸＰＳ光電子の非弾性平均自由行程（ＩＭＦＰ）は、一般に、分析される材料から独立しており、光電子の運動エネルギーＥの関数として変化し（例えば、１００ｅＶを超えるＥについて経験的にＥ０．７８に比例する）、典型的には１０ｎｍ未満である。ＩＭＦＰは、光電子がそれらの生成点から物体の表面に伝播する際に光電子の実質的な減衰をもたらし、したがって、表面から１０ｎｍよりも深く位置する対象元素からの光電子の信号が不十分になる。ＸＲＦは、ＸＰＳが受ける実質的な減衰なしに元素特異性を提供することができるが、従来の技術は、多くの重要な元素のＸＲＦを励起するには低すぎるエネルギーを有する入射Ｘ線を使用した（例えば、Ｗｕらは、１．５ｋｅＶのＸ線のＡｌのＸ線源を使用した）。光電子ＩＭＦＰ、光電子放出角度、および／または屈折率を所望に応じて調整するために、複数のエネルギー励起を使用して、試料中の異なる選択エネルギーおよび異なる選択ＩＭＦＰおよび／または屈折率の光電子を生成することができる。
別の例示的な制限として、以前の技術のＸＲＦ信号は、それらの少量（例えば、ドーパント、ＨｆＯ２などのゲート誘電体、１桁ｎｍの厚さの層、およびエッチング残留物）のために、半導体フロントエンドデバイス製造における多くの対象元素に対して一般に弱い。さらに、これらの少量は小さな分析領域／体積に位置し、信号をさらに低減する。ＸＲＦ信号が低いため、本明細書に記載される複数のＸ線発生材料を有するＸ線源を使用すると、ＸＲＦ信号生成効率は励起Ｘ線エネルギーに大きく依存し、Ｘ線エネルギーが元素の吸収端（例えば、特性Ｘ線生成効率は、励起Ｘ線エネルギーから吸収端エネルギーを引いた値の３乗に伴って減少する）よりわずかに高いときに最大化されるため、入射Ｘ線エネルギーを選択して使用して、対象元素の特性蛍光Ｘ線を選択することができる。さらに、基板材料からのＸＲＦ信号は、基板よりも小さい特性Ｘ線エネルギーを有する元素からのＸＲＦ信号を不明瞭にする可能性がある大きなバックグラウンド寄与をもたらす可能性があり、例えば、強いＳｉ基板信号は、対象元素としてのＨｆおよびＬａのＭ線の信号対雑音比（ＳＮＲ）を減少させる可能性がある。本明細書に記載される複数のＸ線発生材料を有するＸ線源を使用することによって、入射Ｘ線エネルギーをＳｉのＫ吸収端エネルギーよりも小さくなるように選択することを使用して（例えば、ＳｉＣ）、そのような線のＳＮＲを改善することができる。
他の例示的な制限として、標準的なＸＲＲ測定（単独で、またはＸＰＳおよび／またはＸＲＦなどの他の技術と組み合わせて）は、多くの小さな角度ステップで（例えば、適度に広い角度範囲にわたって）データを取得することによって実行することができる。これらのＸＲＲ測定は、許容可能なデータ品質を得るために長いデータ収集時間を利用し、したがって、半導体デバイス製造のための所望のプロセス監視速度を満たすには遅すぎる可能性がある。
これらの制限は、試料表面に対して測定された非常に低い入射角で実行され、その結果、入射Ｘ線ビームを半導体テストパターン（例えば、４０ミクロン×４０ミクロン～４０ミクロン×３００ミクロンの範囲である）に集束させなかった以前のＸＲＲ技術によって適切に対処されていない。さらに、以前のＸＲＲ技術は、ＸＲＲの入射Ｘ線を単色化するためにフィルタおよび／または単色Ｘ線光学系（例えば、多層または単結晶）を利用し、実験室のＸ線源からの光束を減少させた。
図１は、本明細書に記載される特定の実施態様による、分析されるべき試料２０からのＸＲＲおよびＸＲＦおよび／またはＸＰＳのための例示的なシステム１０を概略的に示す。システム１０は、本明細書に記載される試料２０の少なくとも一部の計測および／または検査の方法を実行するように構成することができる。例えば、試料２０は、基板２２（例えば、シリコンウェハ）と、試料２０の実質的に平坦な表面２６上の複数の層状材料構造２４（例えば、ナノシートトランジスタ）とを備えることができる。特定の実施態様では、ＸＲＲ発散は、１０ｍｒａｄ未満、５ｍｒａｄ未満、および／または３ｍｒａｄ未満とすることができ、深さ方向の測定感度は、所与の対象原子元素（例えば、試料２０の部分内で検出される原子元素）に対して０．１ｎｍ以下とすることができる。
特定の実施態様では、例示的なシステム１０は、第１のＸ線ビーム３２を生成するように構成されたＸ線源３０を備える。第１のＸ線ビーム３２は、半値全幅で２０ｅＶ未満の第１のエネルギー帯域幅と、第１の対象原子元素（例えば、分析中の試料２０の一部内で検出される原子元素）の第１の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ（例えば、１ｅＶ～５ｅＶの範囲）高い範囲にある第１の平均Ｘ線エネルギーとを有する。第１のＸ線ビーム３２は、第１のＸ線ビーム３２の第１の伝播方向に垂直な少なくとも１つの方向において７ｍｒａｄ未満の第１のコリメーション角度範囲を有するようにコリメートされる。Ｘ線源３０は、表面２６に対する複数の入射角３４で層状材料構造２４に第１のＸ線ビーム３２を照射するように構成され、複数の入射角の入射角は３ｍｒａｄ～４００ｍｒａｄの範囲にある。例えば、Ｘ線源３０および／または試料２０の少なくとも一部は、表面２６に対する第１のＸ線ビーム３２の入射角３４を正確に調整および設定するように構成された少なくとも１つのステージ（図示せず）上に載置することができる。例えば、少なくとも１つのステージは、所定のかすめ入射角で、または入射角の所定の角度範囲にわたって、平坦な表面上の層状材料構造上にＸ線ビームを向けるように構成された電気機械システムを備えることができる。
特定の実施態様では、図１の例示的なシステム１０は、試料２０からの第１のＸ線ビーム３２の反射部分３６を検出（例えば、測定）するように構成された少なくとも１つの第１のＸ線検出器４０と、少なくとも１つの第１のＸ線検出器４０が第１のＸ線ビーム３２の反射部分３６を検出するのと同時に、試料２０からの蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）５２および／または光電子５４を検出（例えば、測定）するように構成された少なくとも１つのエネルギー分解第２の検出器５０とをさらに備える。
特定の実施態様では、図１に概略的に示すように、Ｘ線源３０は、Ｘ線６２を生成するように構成された少なくとも１つのＸ線発生器６０と、Ｘ線６２の少なくとも一部を受け取り、受け取ったＸ線６２の少なくとも一部を含む第１のＸ線ビーム３２を生成するように構成された少なくとも１つのＸ線光学サブシステム７０とを備える。
図２は、本明細書に記載される特定の実施態様による例示的なＸ線発生器６０の概略図である。Ｘ線発生器６０は、熱伝導性基板６５（例えば、銅、ダイヤモンド）と、基板６５の表面の少なくとも一部の上にまたはその中に埋め込まれた少なくとも１つの構造６６とを含む少なくとも１つのＸ線ターゲット６４を備えることができ、少なくとも１つの構造６６は、基板６５と熱連通する少なくとも１つの熱伝導性材料６７（例えば、ダイヤモンド）と、少なくとも１つの熱伝導性材料６７上の少なくとも１つのＸ線発生材料６８（例えば、熱伝導性材料６７上に堆積された薄膜の形態で）とを備える。基板６５は、少なくとも１つの放熱構造（例えば、ヒートパイプ、液体冷却剤、高熱伝導性の他の材料）と熱連通することができる。少なくとも１つのＸ線発生材料６８は、少なくとも１つの電子ビーム（図示せず）による衝撃に応答してＸ線６２を生成するように構成される。
Ｘ線６２は、低エネルギー範囲（例えば、５．４ｋｅＶ未満、３ｋｅＶ未満、０．１ｋｅＶ～５０ｋｅＶの範囲、０．２ｋｅＶ～５．５ｋｅＶの範囲、０．５ｋｅＶ～５．５ｋｅＶの範囲）の少なくとも１つのＸ線発生材料の特性Ｘ線エネルギー（例えば、特性Ｘ線放出線）を有するＸ線を含むことができる。例えば、少なくとも１つのＸ線発生材料６８は、低エネルギーＫ特性線エネルギー、低エネルギーＬ特性線エネルギー、および／または低エネルギーＭ特性線エネルギーを有するＸ線６２を生成するように構成された少なくとも１つの原子元素を含むことができる。少なくとも１つの原子元素の例は、ケイ素、マグネシウム、アルミニウム、炭素（例えば、炭化ケイ素またはＳｉＣの形態で）、窒素（例えば、ＴｉＮの形態で）、フッ素（例えば、ＭｇＦ２の形態で）、酸素（例えば、Ａｌ２Ｏ３の形態で）、カルシウム（例えば、ＣａＦ２の形態で）、チタン（例えば、約０．５ｋｅＶのＫ特性線エネルギー）、ロジウム（例えば、２．７ｋｅＶのＬ特性線エネルギー）、タングステン（例えば、１．８ｋｅＶのＭ特性線エネルギー）の実質的に純粋な形態または合金形態または化合物形態を含むが、これらに限定されない。少なくとも１つの原子元素の他の例は、ＭｇＯ、ＳｒＢ６、ＣａＢ６、ＣａＯ、ＨｆＯ２、ＬａＢ６、ＧｅＮ、ならびに他のホウ化物、窒化物、酸化物、およびフッ化物化合物を含むが、これらに限定されない。特定の実施態様では、Ｘ線発生器６０によって生成されるＸ線６２の少なくとも５０％（例えば、少なくとも７０％、少なくとも８５％）は、特性Ｘ線放出線エネルギーにおいて狭いエネルギー帯域（例えば、４ｅＶ未満の放射線幅を有する）にあるエネルギーを有する。
特定の実施態様では、Ｘ線発生器６０は、各々が異なるＸ線スペクトルおよび異なる特性Ｘ線放出線を有するＸ線６２を生成するように構成された異なるＸ線発生材料６８を含む複数の構造６６を備える。例えば、異なる構造６６は、電子ビームが一度に単一のＸ線スペクトルを生成するために一度にただ１つの構造６６に衝突することができるように、互いに分離することができるが、共通の基板６５と熱連通することができる。特定の実施態様では、構造６６は、複数のＸ線発生材料６８（例えば、ＳｉＣ層の上のＭｇＦ層）を含むことができ、層厚は、入射電子ビームが複数の異なるＸ線スペクトルを同時に生成することができるように構成することができる。複数の構造６６は、Ｘ線発生材料６８を含むことができ、所定の熱伝導率および融点を有することができ、特性Ｘ線（例えば、ＢｅＯ、Ｃ、Ｂ４Ｃ、ＴｉＢ２、Ｔｉ３Ｎ４、ＭｇＯ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＭｇＦ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔｉ、Ｖ、ＣｒからのＫα特性線；Ｓｒ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇおよび１０００°Ｃを超える融点を有するそれらの化合物からのＬα特性線；Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗおよび１０００°Ｃを超える融点を有するそれらの化合物からのＭα特性線）を生成するように構成することができる。特定の実施態様では、Ｘ線発生材料６８は、分析される試料２０の原子元素の吸収端エネルギーよりも大きいエネルギーを有するＸ線を生成するように選択される。励起Ｘ線エネルギーが原子元素の吸収端エネルギーをわずかに上回ると、原子要素のＸ線蛍光断面積が最大になるため、ＸＲＦ Ｘ線５２の生成効率を最適化するために第１のＸ線ビーム３２の平均Ｘ線エネルギーを選択することが有用であり得る。
表１は、本明細書に記載される特定の実施態様と互換性のあるいくつかの例示的なＸ線発生材料６８および特性Ｘ線を列挙している。
Figure 2023542674000002
特定のそのようなＸ線発生材料６８（例えば、ＳｉＣ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ）について、Ｘ線光学サブシステム７０は、フィルタ／モノクロメータを備えることができる。
少なくとも１つのＸ線発生材料６８が名目上電気絶縁性の材料（例えば、ＭｇＦ）を含む特定の実施態様では、少なくとも１つのＸ線発生材料６８は、材料が下にある基板に電子を伝導するように十分に小さい厚さ（例えば、１０ミクロン未満、２ミクロン未満）を有する。少なくとも１つのＸ線発生材料６８が名目上絶縁性の材料を含む特定の他の実施態様では、少なくとも１つの構造６６は、少なくとも１つのＸ線発生材料６８の帯電を阻止するように構成された導電性導管をさらに備える。例えば、少なくとも１つの構造６６は、導電性および熱伝導性材料６７上にＸ線発生材料６８の層（例えば、厚さ１ミクロン～１０ミクロン）を備えることができる。本明細書に記載の特定の実施態様と互換性のある様々なＸ線発生器６０およびＸ線ターゲット６４は、米国特許第１０，６５８，１４５号に開示されており、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
図３Ａは、本明細書に記載される特定の実施態様による例示的なＸ線発生器６０によって生成されたＸ線６２を受け取る例示的なＸ線光学サブシステム７０（例えば、Ｘ線光学トレイン）を概略的に示す。図３ＡのＸ線光学サブシステム７０は、Ｘ線６２の少なくとも一部を受け取り、受け取ったＸ線６２の少なくとも一部（例えば、Ｘ線発生器６０からの特性Ｘ線のうちの少なくとも１つのＸ線束の少なくとも８５％）を含む第１のＸ線ビーム３２を生成するように構成された複数のＸ線光学素子７２を備える。例えば、複数のＸ線光学素子７２は、少なくとも１つの軸対称毛細管の部分を備えることができ、各部分は、Ｘ線６２の少なくとも一部を反射するように構成された少なくとも１つの２次（例えば、放物的、楕円的、双曲的）反射面７４を有する。特定の他の実施態様では、Ｘ線光学素子７２の少なくとも１つは、軸対称ではなく、および／または湾曲結晶もしくは多層ミラーを備える。複数のＸ線光学素子７２は、Ｘ線光学素子７２のＸ線反射率または臨界角を増加させるように構成されたＸ線反射コーティングを備えることができる。特定の実施態様では、Ｘ線光学サブシステム７０は、Ｘ線光学サブシステム７０の構成要素が取り付けられる制御可能に調整可能なステージ（例えば、支持体）をさらに備え、ステージは、Ｘ線光学サブシステム７０の構成要素を互いに、およびＸ線発生器６０と位置合わせするように構成される。
特定の実施態様では、複数のＸ線光学素子７２は、複数の２次反射面７４（例えば、Ｗｏｌｔｅｒ型光学系）を有する。特定の実施態様では、複数のＸ線光学素子７２の反射面は、Ｘ線光学素子７２の臨界角を増加させ、大きな受容立体角を提供するために、少なくとも１つの高原子番号元素の薄層（例えば、１～１０ｎｍの厚さ）でコーティングされる。特定の他の実施態様では、複数のＸ線光学素子７２の反射面７４は、入射Ｘ線６２の多色度を低減する（例えば、結果として得られる第１のＸ線ビーム３２のエネルギー帯域幅を低減する）のに役立つ多層コーティングでコーティングされる。
図３Ａの例示的なＸ線光学サブシステム７０では、複数のＸ線光学素子７２は、反射面７４ａ、７４ｂを有するコリメートＷｏｌｔｅｒタイプＩミラーを含む第１のＸ線光学素子７２ａと、反射面７４ｃ、７４ｄを有する集束ＷｏｌｔｅｒタイプＩミラーを含む第２のＸ線光学素子７２ｂとを備える。特定の他の実施態様では、第１のＸ線光学素子７２ａは、Ｘ線発生器６０から受け取ったＸ線６２の少なくとも一部をコリメートするように構成された放物的反射面７４を備え、第２のＸ線光学素子７２ｂは、第１のＸ線光学素子７２ａから受け取ったコリメートされたＸ線６２の少なくとも一部を集束させるように構成された放物的反射面７４を備える。特定の実施態様では、Ｘ線光学サブシステム７０は、そうでなければ複数のＸ線光学素子７２から反射することなくＸ線光学サブシステム７０を通過するＸ線６２を遮断するように構成されたビームストップ７６をさらに備える。
特定の実施態様では、Ｘ線光学サブシステム７０は、試料２０に入射する第１のＸ線ビーム３２の発散を制限することによって、複数のＸ線光学素子７２からの集束Ｘ線６２を少なくとも１つの方向にコリメートするように構成された少なくとも１つの開口７７（例えば、ビームスリット、ピンホール）をさらに備える。図３Ｂは、本明細書に記載される特定の実施態様による、図３Ａの第２のＸ線光学素子７２ｂの出口端における例示的な開口７７を概略的に示す。特定の実施態様では、少なくとも１つの開口７７は、反射方向の第１のＸ線ビーム３２が平面波として現れるように、少なくとも１つの方向に角度コリメーションを提供する。開口７７の角度コリメーションは、以下の式によって決定することができる。
Figure 2023542674000003
ここで、Δθは角度コリメーションであり、λは開口７７に入射するＸ線６２の波長であり、ｄは入射Ｘ線波および反射Ｘ線波によって生成される干渉パターンの周期である。特定の実施態様では、少なくとも１つの開口７７の角度コリメーションは、５ｍｒａｄ未満である。特定の実施態様では、少なくとも１つの開口７７は、Ｘ線６２の少なくとも一部を遮断し、Ｘ線６２の少なくとも一部が試料２０に伝播することができる少なくとも１つの開口７７のサイズ（例えば、幅）を制御可能に調整することができるように、互いに対して調整可能に（例えば、モータによって）移動されるように構成された少なくとも２つのＸ線不透過性要素７８によって画定される。少なくとも１つの開口７７のサイズは、分析される試料２０の特徴のサイズ（例えば、反射寸法に沿って）の関数とすることができる。
少なくとも１つの開口７７は、複数のＸ線光学素子７０の上流または下流にあってもよく、または複数のＸ線光学素子７２のＸ線光学素子７２の間にあってもよい。例えば、２つの放物的反射面を備える複数のＸ線光学素子７２の場合、少なくとも１つの開口７７は、２つの放物的反射面の間に配置することができる。例えば、図３Ａに概略的に示すように、少なくとも１つの開口７７は、複数のＸ線光学素子７２の下流にあってもよい。少なくとも１つの開口７７は、試料２０の層状構造の表面上の第１のＸ線ビーム３２のサイズおよび／または角度範囲を制限し、試料２０の層状構造の表面で定在波を形成するために所定量の空間コヒーレンスを課すために使用することができる。
特定の実施態様では、試料２０上の第１のＸ線ビーム３２のサイズ（例えば、フットプリント）Ｆは、以下のように表すことができる。
Figure 2023542674000004
ここで、ｓは接線（例えば、反射）方向に沿ったビームサイズであり、αは表面２６に対する第１のＸ線ビーム３２の入射角３４である。特定の実施態様では、開口７７のサイズＬ（例えば、複数のＸ線光学素子７２の出口端付近）は、以下のように画定される。
Figure 2023542674000005
例えば、Ｌ＝３００ミクロンおよび入射角α＝４１ｍｒａｄ（例えば、Ｐｔ被覆ガラス上で１．７４ｋｅＶ）の場合、１次元における第１のＸ線ビーム３２のサイズを画定する開口７７は１２．３ミクロンに等しくすることができる。直径２０ミクロンのスポットを生成する複数のＸ線光学素子７２を有する開口７７を使用すると、そうでなければ試料２０に送達されるであろう開口７７に入射するＸ線束の約６０％が透過する（他の寸法は減少しない）。８ｋｅＶの定在波の場合、開口７７は、表２に示すように実用的な値であるには小さすぎる（または特徴が大きすぎる）ことに留意されたい。
Figure 2023542674000006
特定の実施態様では、開口７７のサイズは、十分なＸ線束を試料２０に伝送するために大幅に増加させることができる。特定の実施態様では、特徴サイズは、上述のように３００ミクロンではなく、長さが５００ミクロンであり、開口７７の幅をさらに広げることができる。
特定の実施態様では、Ｘ線光学サブシステム７０は、第１のＸ線ビーム３２のＸ線を単色化するように構成されたフィルタおよび／またはモノクロメータをさらに備える。当業者に知られている任意のＸ線モノクロメータを使用することができ、その例には、チャネルカット結晶、平坦結晶（例えば、Ｓｉ（１１１））、および合成多層が含まれるが、これらに限定されない。特定の実施態様では、モノクロメータは、第１のＸ線光学素子７２ａ（例えば、コリメートする第１の放物面ミラー）がＸ線発生器６０（例えば、２または４バウンス結晶に入射するＸ線６２）からのＸ線６２の少なくとも一部をコリメートし、第２のＸ線光学素子７２ｂが第１のＸ線光学素子７２ａ（例えば、４０ミクロン（ＦＷＨＭ）未満のスポットサイズまで）からのＸ線６２の少なくとも一部を集束させるように、第１のＸ線光学素子７２ａ（例えば、集束する第２の放物面ミラー）と第２のＸ線光学素子７２ｂとの間にある。特定の実施態様では、モノクロメータは、Ｘ線光学サブシステム７０の少なくとも１つの内面上に少なくとも１つの多層コーティングを備える。Ｘ線発生器６０によって生成されたＸ線６２が層状材料構造内に定在Ｘ線波を形成するのに十分に単色である特定の実施態様では（例えば、Ｘ線発生材料がＭｇ、Ａｌ、および／またはＳｉを含むいくつかの実施態様では）、Ｘ線光学サブシステム７０は、多層または結晶モノクロメータを有することを除外することができる。
特定の実施態様では、入射する第１のＸ線ビーム３２の平均Ｘ線エネルギーは、スペクトル干渉および／または検出器ノイズ寄与（例えば、不完全な電荷収集）による、分析されている試料２０の原子元素の検出された特性ＸＲＦ Ｘ線５２へのＸ線背景寄与を低減（例えば、抑制）するように選択することができる。エネルギー分散型検出器（例えば、ＳＤＤ）は有限のエネルギー分解能（例えば、５．９ｋｅＶのＸ線を検出するために約１２５ｅＶ）を有し、目的の原子元素の特性Ｘ線と試料２０の層状材料構造２４内の主要な原子元素の特性Ｘ線とのスペクトル干渉（例えば、オーバーラップ）が、目的の原子元素の検出および定量化を困難にし、長いデータ取得時間をもたらす可能性がある。例えば、３つのＳｉナノシートトランジスタのスタックの場合、Ｓｉは主要な原子元素であり、特性Ｓｉ Ｋ線のエネルギーは約１．７４ｋｅＶである。ＨｆＯ２は広く使用されているゲート誘電体材料であり、Ｈｆの特性Ｍ線エネルギーは約１．６４ｋｅＶであり、特性Ｓｉ Ｋα線エネルギーとは約１００ｅＶ異なる。特定の実施態様では、第１のＸ線ビーム３２としてＳｉ Ｋａ Ｘ線を使用すると、試料２０内のＳｉ Ｋα特性ＸＲＦ Ｘ線５２は生成されない。
特定の実施態様では、少なくとも１つの第１のＸ線検出器４０は、比例カウンタ、シリコンドリフト検出器、直接検出Ｘ線電荷結合素子（ＣＣＤ）、およびピクセルアレイ光子計数検出器からなる群から選択される。特定の実施態様では、少なくとも１つのエネルギー分解第２の検出器５０は、シリコンドリフト検出器（ＳＤＤ）、比例検出器、イオン化チャンバ、波長分散検出システム、またはＸＲＦの測定に適合する任意の他のエネルギー分解Ｘ線検出器からなる群から選択されるＸ線検出器を備える。
特定の実施態様では、少なくとも１つのエネルギー分解第２の検出器５０は、エネルギー分解光電子検出器を備える。例えば、エネルギー分解光電子検出器は、約１度の角度分解能を有し、非分散方向に沿って最大６０～８０度の角度範囲を受け入れるために角度分解データの並列収集のために電子投影レンズカラムを利用する角度分解半球ＸＰＳ電子エネルギー分析器を備えることができる。本明細書に記載の特定の実施と互換性のある他の例示的なエネルギー分解光電子検出器には、遅延電界分析器、円筒形ミラー分析器、および飛行時間型分析器が含まれるが、これらに限定されない。特定の実施態様では、角度分解ＸＰＳ測定値は、ＸＰＳ分光計内の所望のかすめ入射角に配置するには大きすぎる可能性がある完全な半導体ウェハなどの大きな試料から取得することができる。試料に対するエネルギー分解光電子検出器の位置は、角度範囲全体にわたって固定されたままであることができ、入射Ｘ線によって照射された試料の部分は、照射中に一定のままであることができる。Ｘ線スポットサイズのフットプリントは、（例えば、試料が入射Ｘ線ビームに対して回転すると）かすめ入射角を減少させるために増加するが、特定の実施態様では、ソース定義の小領域分析と並列収集との組合せを使用して、分析領域はかすめ入射角から実質的に独立することができる。
特定の実施態様では、少なくとも１つの第１のＸ線検出器４０および／または少なくとも１つのエネルギー分解第２の検出器５０は、検出器の入力に１つまたは複数の開口（例えば、ビームスリット、ピンホール）を備える。
例示的な方法
図４Ａは、本明細書に記載される特定の実施態様による、試料２０の３次元構造を分析する（例えば、空間構造および材料組成を特性評価する、単一エネルギーＸ線計測を使用する）ための例示的な方法１００の流れ図である。動作ブロック１１０で、方法１００は、半値全幅で２０ｅＶ未満の第１のエネルギー帯域幅と、第１の対象原子元素の第１の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ（例えば、１ｅＶ～５ｅＶの範囲）高い範囲にある第１の平均Ｘ線エネルギーとを有する第１のＸ線ビーム３２を生成することを含む。第１のＸ線ビーム３２は、第１のＸ線ビーム３２の第１の伝播方向に垂直な少なくとも１つの方向において７ｍｒａｄ未満（例えば、４ｍｒａｄ未満、１ｍｒａｄ未満）の第１のコリメーション角度範囲を有するようにコリメートされる。
特定の実施態様では、第１の対象原子元素の第１の吸収端エネルギー（例えば、０．１ｋｅＶ～５．４ｋｅＶ）は、分析されている試料２０の一部の主要原子元素（例えば、試料２０の一部の原子の少なくとも２０％を構成する原子元素）の吸収端エネルギーよりも小さい。例えば、シリコン基板を含む試料２０の場合、第１の対象原子元素の第１の吸収端エネルギーは１．８４ｋｅＶ未満である。特定の実施態様では、試料２０を照射する第１のＸ線ビーム３２のＸ線の少なくとも５０％は、第１の対象原子元素の第１の吸収端エネルギーよりも１００ｅＶ大きいＸ線エネルギーを有する。特定の実施態様では、Ｘ線エネルギー帯域幅は、モノクロメータおよび／またはフィルタを備えるＸ線光学サブシステムを使用して取得され、第１のＸ線ビーム３２を生成することは、第１のエネルギー帯域幅を有するようにＸ線６２をフィルタリングすることを含む。
特定の実施態様では、第１のＸ線ビーム３２は、第１の伝播方向と表面２６に垂直な方向とを含む反射面（例えば、散乱面）内で試料２０に衝突し、第１のＸ線ビーム３２は、反射面（例えば、第１のＸ線ビーム３２および表面２６の表面法線を含む）内のコリメーション角（例えば、コリメーション角度範囲）および反射面（例えば、サジタル面内）に直交する面内の収束方向の収束角（例えば、収束角度範囲）を有し、コリメーション角は収束角よりも小さい。
動作ブロック１２０で、方法１００は、試料２０の実質的に平坦な表面２６に対して３ｍｒａｄ～４００ｍｒａｄの範囲にある複数の入射角３４で第１のＸ線ビーム３２を試料２０に照射することをさらに含む。例えば、第１のＸ線ビーム３２は、５ｍｒａｄから２５ｍｒａｄの間のかすめ入射角（例えば、試料２０の表面２６と第１のＸ線ビーム３２との間の角度）で試料２０の実質的に平坦な領域を照射することができる。
動作ブロック１３０で、方法１００は、同時に試料２０からの第１のＸ線ビーム３２の反射部分３６（例えば、ＸＲＲデータ）を検出するとともに試料２０からのＸ線蛍光Ｘ線５２（例えば、ＸＲＦデータ）および／または光電子５４（例えば、ＸＰＳデータ）を検出することをさらに含む。特定の実施態様では、方法１００は、試料２０に関する構造および材料情報を取得するために、検出されたＸＲＲデータ（例えば、第１のＸＲＲデータ）およびＸＲＦデータを一緒に分析する（例えば、動作ブロック１３２で）ことをさらに含む。例えば、試料２０に第１のＸ線ビーム３２を照射し、試料２０が少なくとも１つの処理手順を受けた後に、同時に第１のＸ線ビーム３２の反射部分３６を検出するとともにＸＲＦ Ｘ線５２および／または光電子５４を検出するとき、方法１００は、少なくとも検出された第１の反射部分３６、検出されたＸＲＦ Ｘ線５２、および／または検出された光電子５４を分析し、試料２０が少なくとも１つの処理手順を受ける前に、試料２０に関する空間情報および／または組成情報の第１のセットを試料２０に関する空間情報および／または組成情報の第２のセットと比較することによって、試料２０に関する空間情報および／または組成情報の第１のセットを取得することをさらに含むことができる。図５Ａは、本明細書に記載される特定の実施態様による、図４Ａの例示的な方法１００の態様（例えば、動作ブロック１１０、１２０、１３０、および１３２の例）を含む他の例示的な方法１００の流れ図である。
図４Ｂは、本明細書に記載される特定の実施態様による、試料２０の３次元構造を分析する（例えば、空間構造および材料組成を特性評価する、二重エネルギーＸ線計測を使用する）ための他の例示的な方法１００の流れ図である。図４Ａの動作ブロック１１０、１２０、１３０に加えて、図４Ｂの方法１００は、動作ブロック１４０で、第２のＸ線ビームを生成することをさらに含み、第２のＸ線ビームは、半値全幅で２０ｅＶ未満の第２のエネルギー帯域幅と、第１の対象原子元素の第１の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ（例えば、１ｅＶ～５ｅＶの範囲）低い範囲にある第２の平均Ｘ線エネルギーを有する。第２のＸ線ビームは、第２のＸ線ビームの第２の伝播方向に垂直な少なくとも１つの方向において７ｍｒａｄ未満（例えば、４ｍｒａｄ未満、１ｍｒａｄ未満）の第２のコリメーション角度範囲を有するようにコリメートされる。図４Ｂの方法１００は、動作ブロック１５０で、試料２０に第２のＸ線ビームを照射することと、動作ブロック１６０で、試料２０からの第２のＸ線ビームの第２の反射部分（例えば、第２のＸＲＲデータ）を検出することとをさらに含む。特定の実施態様では、図４Ｂの方法１００は、検出された第１の反射部分（例えば、第１のＸＲＲデータ）、検出されたＸ線蛍光Ｘ線（例えば、ＸＲＦデータ）、および／または検出された光電子（例えば、ＸＰＳデータ）とともに、検出された第２の反射部分（例えば、第２のＸＲＲデータ）を分析することによって、試料２０に関する空間情報および組成情報を取得すること（例えば、動作ブロック１６２で）をさらに含む。図５Ｂは、本明細書に記載される特定の実施態様による、図４Ｂの例示的な方法１００の態様（例えば、動作ブロック１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、および１６２の例）を含む他の例示的な方法１００の流れ図である。
図４Ｃは、本明細書に記載される特定の実施態様による、試料２０の３次元構造を分析する（例えば、空間構造および材料組成を特性評価する、二重エネルギーＸ線計測を使用する）ための他の例示的な方法１００の流れ図である。図４Ａの動作ブロック１１０、１２０、１３０に加えて、図４Ｃの方法１００は、動作ブロック１７０で、第２のＸ線ビームを生成することをさらに含み、第２のＸ線ビームは、半値全幅で２０ｅＶ未満の第２のエネルギー帯域幅と、第２の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ（例えば、１ｅＶ～５ｅＶの範囲）高い範囲にある第２の平均Ｘ線エネルギーを有する。特定の実施態様では、第２の吸収端エネルギーは第１の対象原子元素のものであり、第１の吸収端エネルギーおよび第２の吸収端エネルギーは少なくとも１ｋｅＶだけ互いに分離されている。例えば、第１の吸収端エネルギーは、第１の対象原子元素のＬ端エネルギーであることができ、第２の吸収端エネルギーは、第１の対象原子元素のＭ端エネルギーであることができる。特定の他の実施態様では、第２の吸収端エネルギーは、第１の対象原子元素とは異なる第２の対象原子元素のものである。第２のＸ線ビームは、第２のＸ線ビームの第２の伝播方向に垂直な少なくとも１つの方向において７ｍｒａｄ未満（例えば、４ｍｒａｄ未満、１ｍｒａｄ未満）の第２のコリメーション角度範囲を有するようにコリメートされる。図４Ｃの方法１００は、動作ブロック１８０で、試料２０に第２のＸ線ビームを照射することと、動作ブロック１９０で、試料２０からの第２のＸ線ビームの第２の反射部分（例えば、第２のＸＲＲデータ）を検出することとをさらに含む。特定の実施態様では、図４Ｃの方法１００は、検出された第１の反射部分（例えば、第１のＸＲＲデータ）、検出されたＸ線蛍光Ｘ線（例えば、ＸＲＦデータ）、および／または検出された光電子（例えば、ＸＰＳデータ）とともに、検出された第２の反射部分（例えば、第２のＸＲＲデータ）を分析することによって、試料２０に関する空間情報および組成情報を取得することをさらに含む。
特定の実施態様では、試料２０のいくつかの空間的および材料に関する先験的な知識は既に知られている。例えば、試料の空間的および材料は、１つまたは複数の新しいプロセスステップが実行される（例えば、原子層堆積を使用してシリコンナノシート上に誘電体層を追加するなど、材料を追加または除去する）前に事前に特性評価することができる。１つまたは複数のプロセスステップの後の試料２０の計測は、１つまたは複数の新しいプロセスステップで追加された材料の原子元素を対象原子元素として選択すること、または除去された材料（例えば、残留物）の原子元素を対象原子元素として選択すること、および本明細書に開示される方法を実行することを含むことができる。特定の実施態様では、既知の空間情報および材料情報は、対象元素の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ（例えば、１ｅＶ～５ｅＶの範囲内、５ｅＶ～１ｋｅＶの範囲）高い範囲内の平均Ｘ線エネルギーを有するＸ線ビーム（例えば、第１のＸ線ビーム３２）を使用して得られたＸＲＲおよびＸＲＦデータを分析する際に使用することができる。特定の他の実施態様では、対象元素の吸収端エネルギーよりも低い（例えば、１ｅＶ～１ｋｅＶまたは１ｅＶ～５ｅＶの範囲の平均Ｘ線エネルギーを有する）第２のＸ線ビームおよび第１のＸ線ビーム３２のビーム特性と実質的に同様の他のビーム特性を使用して収集されたＸＲＲデータをさらに使用することができる。
特定の実施態様では、狭い範囲のかすめ角にわたって、または少数の個別のかすめ角で得られたＸＲＲおよびＸＲＦデータが測定および分析されて、１つまたは複数の追加または除去された材料に関する空間情報および材料情報を取得する。狭い範囲のかすめ角および／または離散かすめ角は、１つまたは複数の追加または除去された材料に関する空間情報および材料情報に応答したＸＲＲおよびＸＲＦデータの感度（例えば、変化）に基づいて選択することができる。感度は、分析（例えば、シミュレーション）または測定によって事前に決定することができる。特定のそのような実施態様の利点は、計測測定スループットの向上を含む。
図６は、本明細書に記載される特定の実施態様による、検査（例えば、プロセス監視）のための例示的な方法２００の流れ図である。例示的な方法２００は、予め選択された特定のパラメータに対する高い感度のために選択された有限個のかすめ角でＸＲＲおよび／またはＸＲＦデータを測定することによって、平坦な基板上の３Ｄ構造の１つまたは複数の予め選択された空間および材料パラメータを測定するために使用することができる。動作ブロック２１０で、方法２００は、予め選択された材料内の少なくとも１つの対象元素（ＥＯＩ）を選択（例えば、事前決定）することを含む。動作ブロック２２０で、方法２００は、ＸＲＲおよびＸＲＦ測定のためのＸ線ビームを生成することをさらに含む。Ｘ線ビームは、２０ｅＶ（例えば、半値全幅）未満のエネルギー帯域幅および対象元素（ＥＯＩ）の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ（例えば、１ｅＶ～５ｅＶの範囲、５ｅＶ～１ｋｅＶの範囲）高い範囲にある平均Ｘ線エネルギーを有し、７ｍｒａｄ未満（例えば、４ｍｒａｄ未満、１ｍｒａｄ未満）のコリメーション角を有するように少なくとも１つの方向にコリメートされる。特定の実施態様では、対象元素の吸収端エネルギーは、０．１ｋｅＶ～５．４ｋｅＶになるように選択される。特定の実施態様では、平均Ｘ線エネルギーは、基板の主要元素の吸収端エネルギー（例えば、シリコン基板の場合は１．８４ｋｅＶ）よりも小さい。
動作ブロック２３０で、方法２００は、ＸＲＲおよびＸＲＦ信号収集のために限られた数の特定のかすめ入射角（例えば、２０、５０、または１００未満であり、かすめ入射角の少なくとも２０％が互いに十分に分離されている）を選択（例えば、事前決定）することをさらに含む。特定のかすめ入射角は、予め選択された１つまたは複数の特定のパラメータに対するそれらの高い感度のために選択することができる。特定の実施態様では、特定のかすめ入射角は、期待されるＸＲＲ信号および／またはＸＲＦ信号におけるピークに対応する。特定の実施態様では、データはまた、ＸＲＲ曲線および／またはＸＲＦスペクトルの期待される谷および／またはピークに対応する特定のかすめ入射角で収集される。特定のそのような実施態様では、ＥＯＩのＸＲＲ信号におけるピークは、ＥＯＩを含む層における試料２０内の励起Ｘ線ビーム（例えば、第１のＸ線ビーム３２）の正の干渉に対応する。動作ブロック２４０で、方法２００は、Ｘ線ビームを少なくとも１つの方向（例えば、反射面内）において３ｍｒａｄ未満となるようにコリメートすることをさらに含む。
動作ブロック２５０で、方法２００は、試料２０の平坦な基板上の領域上に所定のかすめ入射角でＸ線ビームを向けることと、動作ブロック２６０で、所定のかすめ入射角でＸＲＲおよびＸＲＦデータを同時に収集することとをさらに含む。動作ブロック２７０で、方法２００は、試料の構造および材料情報を取得するためにＸＲＲおよびＸＲＦデータを一緒に分析することをさらに含む。
特定の実施態様では、方法２００は、ＥＯＩの吸収端エネルギーよりも高い第１の平均Ｘ線エネルギーを有する第１のＸＲＲ曲線を収集することと、ＥＯＩの吸収端エネルギーよりも低い第２の平均Ｘ線エネルギーを有する第２のＸＲＲ曲線を収集することとを含む。第１および第２のＸＲＲ曲線は、順次または同時に収集することができ、第１および第２のＸＲＲ曲線のデータを一緒に分析して試料の構造および材料情報を得ることができる。特定の実施態様では、第１のＸＲＲデータセットおよびＸＲＦデータは、ＥＯＩの吸収端エネルギーよりも高い第１の平均Ｘ線エネルギーで収集され、第２のＸＲＲデータセットは、ＥＯＩの吸収端エネルギーよりも低い第２の平均Ｘ線エネルギーで収集される。第１および第２のＸＲＲデータセットは、順次または同時に収集することができ、第１および第２のＸＲＲデータセットをＸＲＦデータと一緒に分析して試料の構造および材料情報を得ることができる。
特定の実施態様では、測定データを（例えば、動作ブロック１３２、１６２、２７０で）分析することは、測定データの少なくとも一部を試料の１つまたは複数のシミュレートされたモデルからの期待値と比較することと、変化を決定するために、測定データの少なくとも一部を（例えば、プロセスの前の）先験的情報と比較することと、測定されたデータの少なくとも一部を既知の基準試料からの測定値と比較することと、のうちの１つまたは複数を含む。特定の実施態様では、分析は、期待値から（例えば、事前情報、期待されるシミュレートされた値、および／または既知の基準値から）の試料２０の物理的寸法の偏差の決定を可能にすることができる。そのような偏差測定値は、測定された偏差が期待値から所定の範囲外にあるときに自動警告を生成することによってプロセス監視（例えば、製造プロセス中のデバイスへの迅速なフィードバック）を提供するために使用することができる。特定の実施態様では、本明細書に記載される方法は、１つまたは複数の対象原子元素を含む有限個の材料層の３Ｄ空間情報を測定するために使用することができる。
例示的な応用
本明細書に記載される特定の実装形態の応用は、例えば、シリコンナノシート上への誘電体堆積中または後、ダミーゲート除去中／後などの、ゲートオールアラウンド（ＧＡＡ）デバイスのための半導体プロセスの計測および／または検査（例えば、堆積の均一性の決定）を含む。特定の実施態様では、分析される試料は半導体試料（例えば、半導体ウェハ）である。特定の実施態様では、試料上の対象領域は、半導体試料のテストパターンまたはスクライブラインであり、特定の他の実施態様では、対象領域は、半導体試料の活性領域である。特定の実施態様では、表面に平行な２つの寸法のうちの少なくとも小さい方における試料表面上のＸ線ビームフットプリントは、１００ミクロン未満である。
ナノシートスタックにおける深さ分解ＨｆＯ２厚さ
本明細書に記載される特定の実施態様は、半導体ナノシートスタック内のＨｆＯ２の深さ分解厚さ特性評価を提供することができる。例えば、Ｘ線発生器６０は、Ｓｉ Ｋα Ｘ線６２を発生させるように構成されたＳｉ（例えば、ＳｉＣ）を含むＸ線発生材料６８を利用することができる。Ｓｉ Ｋα Ｘ線６２は、Ｓｉ吸収端よりも低いがＨｆの２つのＭ吸収端（１．７１６４ｋｅＶにＭ４および１．６６１７ｋｅＶにＭ５）よりも高い平均Ｘ線エネルギー（１．７４ｋｅＶ）を有する。Ｘ線光学サブシステム７０は、コリメートビームブロック（例えば、開口、スリット、ピンホール）と組み合わせて使用される１つまたは複数の集束Ｘ線光学素子を含むことができ、入射Ｘ線ビームおよび表面法線を含む散乱平面内の方向に３ｍｒａｄのコリメーション角度範囲を有するようにＸ線ビーム３２をコリメートするように構成することができる。第１のＸ線ビーム３２は、ＦＷＨＭが５０×５００ミクロン（例えば、５０×３００ミクロン、４０×５００ミクロン、４０×３００ミクロン、またはそれ以下）以下のスポットサイズで試料２０に入射するように集束およびコリメートすることができ、ＸＲＲおよびＸＲＦ信号は、入射角の範囲（例えば、３ｍｒａｄ～３００ｍｒａｄ）にわたって収集することができる。
図７Ａは、本明細書に記載される特定の実施態様による半導体ナノシートスタック構造の３つの例示的なシミュレーションモデルを概略的に示す。例示的なシミュレーションモデルは各々、深さ方向に沿って１０ｎｍの厚さを有するＳｉナノシートを有し、深さ方向に垂直な横方向寸法は任意のサイズ（例えば、１ｎｍ～１０ｎｍの範囲、１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲、または５０ｎｍ以上）とすることができる。Ｓｉナノシートは、（ｉ）２ｎｍ、（ｉｉ）１．５ｎｍ、または（ｉｉｉ）１ｎｍの厚さを有する誘電材料であるＨｆＯ２によって囲まれ、（ｉ）６ｎｍ、（ｉｉ）７ｎｍ、または（ｉｉｉ）８ｎｍの深さ方向の厚さを有するエアギャップによって互いに分離されている。エアギャップの厚さは、１０ｎｍから隣接するＨｆＯ２誘電体層の厚さ（例えば、２ｎｍの厚さを有するＨｆＯ２誘電体層の場合、エアギャップ厚さは１０ｎｍ－（２・２ｎｍ）＝６ｎｍである）を引いたものに等しい。
図７Ｂは、本明細書に記載される特定の実施態様による、３つのＸ線エネルギーを使用して収集されるようにシミュレートされた図７Ａの３つの例示的なシミュレーションモデルに対応するシミュレートされたＸＲＲデータのグラフ（例えば、曲線）を示す。図７Ｂのグラフの各々は、異なるＸ線エネルギーを有する入射角の関数としてのシミュレートされたＸＲＲ強度を表し、（ｉ）２ｎｍ、（ｉｉ）１．５ｎｍ、および（ｉｉｉ）１ｎｍのＨｆＯ２層を有する図７ＡのＳｉナノシート構造から収集されるようにシミュレートされている。最も左側のグラフは、１．４９ｋｅＶ（例えば、Ａｌ特性放出線Ｘ線）のＸ線エネルギーを有し、中央のグラフは１．７４ｋｅＶ（例えば、ＳｉＣからのＳｉ特性放出線Ｘ線）のＸ線エネルギーを有し、最も右側のグラフは９．７ｋｅＶのＸ線エネルギーを有する。
図７Ｃは、本明細書に記載される特定の実施態様による、３つのＸ線エネルギーにおける図７Ｂの３つのＸＲＲ曲線間の単純な減算によるシミュレートされた差のグラフを示す。図７Ｃは、ＸＲＲ強度の差がＸ線エネルギーの増加とともに増加し、大きいＸ線エネルギーでは、ＸＲＲ情報の大部分が非常に低い入射角（例えば、１度未満）にあることを示す。そのような低い入射角でのＸＲＲ測定は、Ｘ線ビームフットプリントを望ましいよりも広い領域にわたって広げることができる。特定の実施態様では、ＸＲＲ測定は、１．７４ｋｅＶのＸ線エネルギーを使用して行われ、ＸＲＲ曲線は、より広い範囲（例えば、１．５度～７度）の入射角にわたってＨｆＯ２層の厚さの関数として実質的な差を示す。
図７Ｄは、本明細書に記載される特定の実施態様による、１．７４ｋｅＶの励起Ｘ線エネルギーを用いた入射角の関数としてのＨｆＭ５Ｎ７特性ＸＲＦ線のシミュレートされた信号のグラフを示す。なお、縦軸の値は、１つの入射光子に対して期待されるＸＲＦ光子数を表す。入射Ｘ線エネルギーはＨｆのＭ吸収端よりもわずかに高いため、入射Ｘ線はＨｆ Ｍ Ｘ線蛍光信号を励起するのに効率的である。さらに、１．７４ｋｅＶのＳｉ特性発光線Ｘ線は、バルクＳｉ基板からのＸ線蛍光を励起せず、それによって測定されるＨｆ ＸＲＦ信号の信号対雑音比を増加させる。図７Ａ～図７Ｄは、本明細書に記載される特定の実施態様に従って分析されるバルク試料の原子元素の吸収端エネルギーより上の特性Ｘ線エネルギー（例えば、１．７４ｋｅＶ）を有するＸ線を生成するＸ線発生材料６８を使用する利点を実証する。
図７Ｅは、本明細書に記載される特定の実施態様による、界面および表面の粗さに対する感度を示す３つの異なるＸ線エネルギーにおけるシミュレートされたＸＲＲ信号差のグラフを示す。図７ＥのシミュレートされたＸＲＲ信号の差は、すべての表面および界面でゼロの粗さを仮定したＳｉナノシート構造の第１のモデルと、最上面で１ｎｍの粗さおよび界面で０．５ｎｍの粗さを仮定した第２のモデルとの間にある。図７Ｅは、Ｘ線エネルギーが減少するにつれて（すなわち、Ｘ線波長が増加するにつれて）、ＸＲＲ信号に対する粗さの影響が減少することを実証する。そのような情報は、データを正規化するために使用することができる。図７Ｅはまた、本明細書に記載される特定の実施態様による二重エネルギー方法論を使用する利点を実証する。
図８Ａ～図８Ｅは、図７Ａ～図７Ｅと同様の他のシナリオを実証するが、層厚は変更されている。さらに、図８Ａ～図８Ｅのシナリオは２エネルギーアプローチを表し、各Ｘ線エネルギーは、対象原子エネルギーの吸収端の一方より上にあるように選択され、Ｈｆ Ｍ吸収端より上にある１．７４ｋｅＶ（例えば、Ｓｉ系源によって生成される）およびＨｆ Ｌ吸収端より上にある９．７１３ｋｅＶ（例えば、Ａｕ系源によって生成される）である。
図８Ａは、本明細書に記載される特定の実施態様による半導体ナノシートスタック構造の２つの例示的なシミュレーションモデルの概略的に示す。例示的なシミュレーションモデルは各々、深さ方向に沿って１０ｎｍの厚さを有するＳｉナノシートを有し、深さ方向に垂直な横方向寸法は任意のサイズ（例えば、１ｎｍ～１０ｎｍの範囲、１０ｎｍ～５０ｎｍの範囲、または５０ｎｍ以上）とすることができる。Ｓｉナノシートは、誘電体材料であるＨｆＯ２によって囲まれており、（ｉ）第１のモデルは、各Ｓｉナノシートの上方に厚さ２ｎｍの上部ＨｆＯ２層と、各Ｓｉナノシートの下方に厚さ１．５ｎｍの下部ＨｆＯ２層とを有し、（ｉｉ）第２のモデルは、各Ｓｉナノシートの上方に厚さ１．５ｎｍの上部ＨｆＯ２層と、各Ｓｉナノシートの下方に厚さ２ｎｍの下部ＨｆＯ２層とを有する。両方のモデルにおいて、Ｓｉナノシートは、深さ方向に６．５ｎｍの厚さを有するエアギャップによって互いに分離されている。図８Ａは、異なる構造にもかかわらず全体的なＨｆＯ２信号が同じままである困難なシナリオを示す。
図８Ｂは、本明細書に記載される特定の実施態様による、２つの異なる励起Ｘ線エネルギーでの図８Ａの２つのモデルからのシミュレートされたＸＲＦ信号のグラフを示す。９．７１３ｋｅＶ（例えば、Ａｕ系源から）のＸ線エネルギーを有する励起Ｘ線の場合、両方のモデルが同じ量のＨｆＯ２を含むという事実にもかかわらず、２つのモデルから入射角の関数として収集されるようにシミュレートされたＨｆ Ｌ３Ｍ５ ＸＲＦ線のＸＲＦ信号は、ある特徴的な情報を示す。１．７４ｋｅＶ（例えば、ＳｉＣ系源から）のＸ線エネルギーを有する励起Ｘ線の場合、２つのモデルから入射角の関数として収集されるようにシミュレートされたＨｆ Ｍ５Ｎ７ ＸＲＦ線のＸＲＦ信号もまた、ある特徴的な情報を示す。特徴的な情報は、より強い信号を提供する対象ＨｆＯ２層での強め合う干渉の領域におけるＳｉナノシートからの反射によって引き起こされる干渉パターンから生じる。特定の実施態様では、入射角が小さいほど最上層に対する感度が高くなるため、ＸＲＦ信号はＸＲＦ信号の最初の３～５個のピークおよび谷で収集される。また、図８Ｂは、入射角が大きくなるにつれて、第２のモデルよりも信号強度が大きい第１のモデルと、第２のモデルよりも信号強度が小さい第１のモデルとの間でＸＲＦ信号が「反転」することを示している。
図８Ｃは、本明細書に記載される特定の実施態様による、２つの励起Ｘ線エネルギーにおける図８Ｂの２つのＨｆ ＸＲＦ曲線間の単純な減算によるシミュレートされた差のグラフを示す。図８Ｃに示すように、９．７１３ｋｅＶの励起Ｘ線エネルギーを使用すると、ＸＲＦ信号の差は大きくなるが、入射角は小さくなる。
図８Ｄは、本明細書に記載される特定の実施態様による、３つのＸ線エネルギーを使用して図８ＡのＳｉナノシート構造から収集されるようにシミュレートされた図８Ａの２つの例示的なシミュレーションモデルに対応するシミュレートされたＸＲＲ信号のグラフ（例えば、曲線）を示す。最も左側のグラフは、１．４９ｋｅＶ（例えば、Ｈｆ Ｍ吸収端より下にあるＡｌ特性放出線Ｘ線）のＸ線エネルギーを有し、中央のグラフは１．７４ｋｅＶ（例えば、Ｈｆ Ｍ吸収端より上にあるＳｉＣからのＳｉ特性放出線Ｘ線）のＸ線エネルギーを有し、最も右側のグラフは（例えば、Ｓｉ Ｋ吸収端より上の）２．２３ｋｅＶのＸ線エネルギーを有する。励起Ｘ線エネルギーの各々について、２つのモデルからのＸＲＲ信号は、入射角の関数として互いの差を示す。
図８Ｅは、本明細書に記載される特定の実施態様による、図８ＤのシミュレートされたＸＲＲ信号間の差のグラフを示す。図８Ｅは、基板および／またはキャップ層（例えば、シリコン）の１次吸収端の下で励起Ｘ線エネルギーを選択する特定の実施態様の利点を実証する。図８Ｅの右端のグラフは、基板およびキャップ層による吸収がＸＲＲ信号間で検出可能な差を減衰させることを実証している。
図９は、本明細書に記載される特定の実施態様による、ＸＲＦ信号が２つの異なる対象原子元素について収集される２エネルギー法の結果を示すグラフを示す。第２の対象原子元素のＸＲＦ信号は、第１の対象原子元素のＸＲＦ信号に加えて収集することができる。第２の対象原子元素は、分析される材料／層／試料の他の成分であり得る。例えば、ＨｆＯ２の場合、図９に示すように、第２の対象原子元素は酸素であり、第１の対象原子元素はＨｆである。図９のＸＲＦ信号では、２エネルギー法は、第１の対象原子元素（例えば、Ｈｆ）の吸収端より上の第１の励起Ｘ線エネルギーおよび第１の対象原子元素の吸収端より下の第２の励起Ｘ線エネルギーを使用し、第２の対象原子元素（例えば、酸素）の両方の励起Ｘ線エネルギーを使用してＸＲＦ信号をも生成する。この追加のデータは、本明細書に記載されるように、計測取得手法または検査取得手法においてＨｆＯ２層厚さを特性評価するために使用することができる。
特定の元素に関する特性評価
本明細書に記載される特定の実施態様は、シリコンナノシートを開発するために一般的に使用されるプロセスにおいてＳｉ層とＳｉＧｅ層とを区別するために使用することができる。０．８ｋｅＶから１．５ｋｅＶの間の吸収端を有するＧｅおよび任意の他の対象元素について、その例は、原子番号が４（Ｂ）から１１（Ｎａ）、１９（Ｋ）から３１（Ｇｅ）、および４０（Ｚｒ）から６４（Ｇｄ）の原子元素を含み、ＭｇまたはＭｇ化合物（例えば、ＭｇＣｌ）を含むターゲットを電子衝撃Ｘ線源で生成されたＭｇ Ｋ線（１．２５４ｋｅＶ）を使用して、対象元素の吸収端より１ｅＶから１ｋｅＶ（例えば、１ｅＶ～５ｅＶの範囲）上の範囲のＸ線エネルギーを有するＸ線を生成することができる。
本明細書に記載される特定の実施態様は、他の対象原子元素を検出するために使用することができる。例えば、原子番号が８（Ｏ）～１２（Ｍｇ）、２２（Ｔｉ）～３４（Ｓｅ）、および４９（Ｉｎ）～６８（Ｅｒ）の原子元素を含む、０．８ｋｅＶ～１．５ｋｅＶの吸収端を有する対象原子元素について、ＡｌまたはＡｌ化合物を含むターゲットを用いた電子衝撃Ｘ線源で生成されたＡｌ Ｋ線（１．４８６ｋｅＶ）を使用することができる。他の例では、原子番号が９（Ｆ）～１３（Ａｌ）、２４（Ｃｒ）～３５（Ｂｒ）、および５６（Ｂａ）～７３（Ｔａ）の原子元素を含む、０．８ｋｅＶ～１．７４ｋｅＶの吸収端を有する対象原子元素について、ＳｉまたはＳｉ化合物を含むターゲットを用いた電子衝撃Ｘ線源で生成されたＳｉ Ｋ線（１．７４ｋｅＶ）を使用することができる。あるいは、ＷまたはＷ化合物を含むターゲットを用いて電子衝撃Ｘ線源で生成されたＷ Ｍα線（１．８ｋｅＶ）を使用することができる。
さらなる例示的な実施態様
特定の実施態様では、ＸＲＲは、Ｑ値の範囲（例えば、０～０．１５）にわたって測定することができ、Ｑは以下のように定義される。
Figure 2023542674000007
ここで、θは入射角であり、λは入射Ｘ線の波長である。特定の実施態様では、ＸＲＲは、対象原子元素ではない基板および／または多層の原子元素の吸収端付近（例えば、１０％以内、２０％以内）であるが吸収端より下の低Ｘ線エネルギーで実行される。特定のそのような実施態様では、ＸＲＲ測定は、対象原子元素の吸収端付近（例えば、１０％以内、２０％以内）以下のＸ線エネルギーに対して行うことができる。
本明細書に記載される特定の実施態様は、２つ以上のＸ線エネルギー（例えば、２つ以上のＸ線エネルギーを有する有限個の入射角で得られる有限個のＸＲＲ測定値）を使用する計測を提供する。例えば、これらのＸ線エネルギーは、対象原子元素を含む材料に対して、実部および／または虚部において１０％より大きい屈折率差を有することができる。特定のそのような実施態様では、１つのＸ線エネルギーは、対象原子元素の吸収端より下にあることができ、他のＸ線エネルギーは、吸収端より上にあることができる。入射Ｘ線ビームは、小さなエネルギー帯域幅および小さなコリメーション角度範囲を有することができる。製造の第１の段階（例えば、対象原子元素、例えばＨｆＯ２の堆積の前）における試料構造（例えば、Ｓｉナノシートの厚さ、Ｓｉナノシートと基板との間の間隔）は、既に知られている可能性があり、計測は、製造の第２の段階（例えば、対象原子元素の堆積後）における試料構造を分析するために使用することができる。
特定の実施態様は、様々な構造および様々なＸ線エネルギーについてＸＲＲ曲線をシミュレートすることを含み、その例は、Ｍｇ Ｋ線、またはＡｌ Ｋ線およびＳｉ Ｋ線のＸ線エネルギーを有するＸ線を使用するＳｉナノシート上のＨｆＯ２層；Ｍｇ、ＡｌまたはＳｉのＫ線のＸ線エネルギーを有するＸ線を使用するＳｉ／ＳｉＧｅナノシートスタック内のＧｅ層；ＳｉまたはＡｌのＫ線（Ｓｉ Ｋ端吸収端の下にある）およびＭｏ、Ｒｈ、またはＰｄのＬ線のうちの１つのＸ線エネルギーを有するＸ線を使用するＳｉナノシートのＳｉ層、を含む。特定の実施態様は、少なくとも２つのＸ線エネルギーを有するＸＲＲデータを使用して、平坦な基板上の層状材料構造における対象原子元素の構造情報を決定することを含む。本明細書に記載されるように、シミュレーションは、Ｓｉ Ｋα線（１．７４ｋｅＶエネルギー）およびＡｌ Ｋα線（１．５ｋｅＶ）のＸ線を一緒に使用して、ＸＲＲを使用してＨｆＯ２膜厚変動を測定して相補的データを提供することができることを示しており、これは部分的には、Ｓｉ Ｋα線がＨｆ Ｍ吸収端エネルギーより上にあり、Ｓｉ Ｋ吸収端エネルギーより下にある一方で、Ａｌ Ｋα線がＨｆ Ｍ吸収端エネルギーより下にあることに起因する。
特定の実施態様では、計測は、補完情報を提供するために、対象原子元素の特性蛍光Ｘ線を効率的に生成するために、少なくとも１回のＸＲＲ測定中に、対象原子元素の吸収端エネルギーよりも大きいが３ｋｅＶ未満のＸ線励起エネルギーで対象原子元素の特性蛍光Ｘ線を収集することをさらに含むことができる。特定の実施態様では、ＸＲＲデータをＸＲＦデータとともに使用して、平坦な基板上の層状材料構造における対象原子元素の構造情報を決定する。
対象原子元素が層状材料構造に含まれる製造プロセスを監視するために、特定の実施態様は、構造内の少なくとも１つの対象原子元素との強い相関（例えば、応答）を有する有限個のＸ線測定値を選択することと、選択された数のＸ線測定値を有する基準標準上の少なくとも１つの対象原子元素のデータセットを収集することと、同じ選択された数のＸ線測定値を有する試験対象上の少なくとも１つの対象原子元素のデータセットを収集することと、２つのデータセットの偏差（例えば、差）を計算することと、偏差が対象原子元素の構造パラメータのプロセスウィンドウ内にあるかどうかを判定することとを含むことができる。有限個のＸ線測定例を具体的に選択することは、対象原子元素の吸収端よりも高いが１ｋｅＶ未満であるＸ線エネルギーを使用した有限個の測定を含むことができる。入射Ｘ線ビームは、小さなエネルギー帯域幅および小さなコリメーション角度範囲を有することができる。
特定の実施態様では、３つのＳｉナノシート（例えば、隣接するナノシート間に１０ｎｍの厚さおよび２０ｎｍのピッチを有する各Ｓｉナノシート）上のＨｆＯ２層の厚さは、有限個の入射角でＳｉ Ｋα線Ｘ線および／またはＡｌ Ｋα線Ｘ線を使用して監視される。一例では、３つのＳｉナノシート構造は、少なくとも２つのモデルでシミュレートすることができ、各モデルは、３つすべてのＳｉナノシートの両側で、対応するＨｆＯ２層厚さが互いに等しい（例えば、モデルのＨｆＯ２層厚さは互いに０．５ｎｍ異なる；第１のモデルはＨｆＯ２層の厚さが１．５ｎｍに等しく、第２のモデルはＨｆＯ２層の厚さが２．０ｎｍに等しい）。他の例では、３つのＳｉナノシート構造は、少なくとも２つのモデルでシミュレートすることができ、各モデルは、上部ＨｆＯ２層厚さが互いに等しく（例えば、２．０ｎｍ）、下部ＨｆＯ２層厚さが互いに等しく（例えば、１．５ｎｍ）、上部ＨｆＯ２層厚さは下部ＨｆＯ２層厚さとは異なる。他の例では、３つのＳｉナノシート構造は、少なくとも２つのモデルでシミュレートでき、各モデルは、上部および下部Ｓｉナノシートの上部および下部ＨｆＯ２厚さが互いに同じであり（例えば、上面と下面の両方で上部Ｓｉナノシート：２．０ｎｍ；上面と下面の両方で下部Ｓｉナノシート：１．５ｎｍ）、中央Ｓｉナノシートの上面および下面のＨｆＯ２層厚さが上部および下部ＳｉナノシートのＨｆＯ２層厚さの平均に等しい（例えば、Ｓｉナノシートの上面と下面の両方で１．７５ｎｍ）。各例について、データは、１つまたは２つの入射角（例えば、モデル間の差に十分に敏感であると期待されるために選択される）で取得することができる。
特定の実施態様では、少なくとも１つの試験試料上の３層Ｓｉ／ＳｉＧｅナノシートスタックのＳｉ層およびＳｉＧｅ層の相対厚さは、少なくとも１つの基準試料（例えば、隣接するＳｉ／ＳｉＧｅナノシート間に１０ｎｍの厚さおよび２０ｎｍのピッチを有する少なくとも１つの基準試料の各Ｓｉ／ＳｉＧｅナノシート）から得られたＳｉ Ｋα線Ｘ線および基準データを使用して監視される。一例では、基準試料は、Ｓｉ／ＳｉＧｅナノシートの各々に対するＳｉ／ＳｉＧｅ厚さ比が１．０５に等しく、基準試料からの基準データおよび少なくとも１つの試験試料からの試験データは、１つまたは２つの入射角（例えば、基試料からの基準データに対する厚さ比に対して十分に敏感であると期待されるために選択される）で得ることができる。他の例では、基準データは、上部、中央部、および下部のＳｉ／ＳｉＧｅナノシートが異なるＳｉ／ＳｉＧｅ厚さ比（例えば、上部ナノシート：１．０；中央部ナノシート：０．９８；下部ナノシート：０．９５）を有する基準試料から得られる。基準データおよび試験データは、有限個のＸＲＲ測定点（例えば、基準試料からの基準データに対する厚さ比に対して十分に敏感であると期待されるために選択される）で取得することができる。
特定の実施態様では、層状材料構造の界面から反射されたＸ線と入射Ｘ線との建設的および破壊的干渉を使用して、構造パラメータに対する追加の感度を提供することができる。特定の実施態様では、対象原子元素の吸収端よりも高いが１ｋｅＶ未満である入射Ｘ線エネルギーを用いて、有限個の特性ＸＲＦ測定値を得ることができる。入射Ｘ線ビームは、入射Ｘ線および層状材料構造の界面によって反射されたＸ線の建設的および破壊的干渉によって層状材料構造の内部にＸ線強度変調を生成するのに十分なコヒーレンスを有することができる。Ｘ線エネルギーは、特性蛍光Ｘ線を効率的に生成するように、および／または十分に高い信号対バックグラウンド比（例えば、Ｈｆ Ｍ線蛍光Ｘ線の効率的な生成のために入射Ｓｉ Ｋ線Ｘ線を使用し、Ｇｅ Ｌ線蛍光Ｘ線の効率的な生成のために入射Ａｌ Ｋ線Ｘ線を使用する）を提供するように選択することができる。
例えば、層状材料構造は、空気／真空領域によって互いに分離された３つのＳｉナノシート（例えば、各１０ｎｍ厚）と、Ｓｉナノシート（例えば、図７Ａおよび図８Ａを参照）を取り囲む薄い（例えば、厚さ３ｎｍ未満の）ＨｆＯ２層とを含むことができる。２０ｎｍのＳｉを通る特性酸素Ｋ線蛍光Ｘ線および特性Ｈｆ Ｌ線蛍光Ｘ線のＸ線透過率は、９０％を超えることができ、下部Ｓｉナノシートの下側で生成された特性蛍光Ｘ線に対しても十分な透過率を有することができる。Ｏ特性Ｋ線蛍光Ｘ線を生成するために、励起Ｘ線は、酸素Ｋ吸収端エネルギーである５３２ｅＶより大きいＸ線エネルギーを有することができる。Ｏ特性Ｋ線蛍光Ｘ線を効率的に生成し、層状材料構造の内部にＸ線強度変調を生成するのに十分に狭いスペクトル帯域幅内で十分に高いＸ線束を有するために、Ｍｇ、Ａｌ、および／またはＳｉおよびそれらの関連化合物（例えば、ＳｉＣ）を含むターゲット材料を有するＸ線源を使用することができる。Ｈｆ特性Ｌ線蛍光Ｘ線を生成するために、励起Ｘ線は、１．６６２ｋｅＶのＨｆ Ｍ３吸収端エネルギーより大きいＸ線エネルギーを有することができる。Ｈｆ特性Ｌ線蛍光Ｘ線を効率的に生成し、層状材料構造の内部にＸ線強度変調を生成するのに十分に狭いスペクトル帯域幅内で十分に高いＸ線束を有するために、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ、および／またはＣｒおよびそれらの関連化合物を含むターゲット材料を有するＸ線源を使用して、１．６６２ｋｅＶ～５．５ｋｅＶの範囲のＸ線エネルギーを有する少なくとも１つの特性Ｘ線を生成することができる。
図１０は、本明細書に記載される特定の実施態様による、入射Ｘ線ビーム３３２によって照射される層状材料構造３２０を概略的に示す。入射Ｘ線ビーム３３２は、実質的に平坦な基板３２２（例えば、Ｓｉウェハ）上の（例えば、エア／真空環境における）層状材料構造３２４に入射し、層状材料構造３２４は、基板３２２上の２つのＳｉ層３２５およびそれらの下のエア／真空ギャップ領域３２６を含む。入射角３３４が全反射の臨界角よりも大きい場合、Ｘ線反射３３６は、Ｘ線屈折率の差（例えば、Ｓｉ層３２５とギャップ領域３２６との間）を有するＳｉ層３２５とギャップ領域３２６との間のすべての界面で発生する。図１０に示すように、反射Ｘ線ビーム３３６は、２つのＳｉ層３２５の上部界面およびＳｉ基板３２２（長い破線）から反射された第１の反射Ｘ線ビーム３３６ａと、層状材料構造３２４の様々な界面から反射された第１の反射Ｘ線ビーム３３６ａの一部からの第２の反射Ｘ線ビーム３３６ｂとを含み、図１０は、これらの第２の反射Ｘ線ビーム３３６ｂの一部のみを示している。
入射Ｘ線ビーム３３２が十分な縦方向（例えば、時間的）コヒーレンスを有するとき、第１の反射Ｘ線ビーム３３６ａおよび第２の反射Ｘ線ビーム３３６ｂは互いに干渉し、入射Ｘ線ビーム３３２と干渉する。例えば、Ｘ線ビームの時間コヒーレンス長は、Ｘ線波長λにλ／Δλを乗じたものにほぼ等しく、ここでΔλはスペクトル帯域幅である。所与のスペクトル分解能λ／Δλに対して、時間コヒーレンス長はＸ線波長に比例する。干渉は、層状材料構造３２０の内部のＸ線強度変調をもたらす。入射Ｘ線ビーム３３２が十分な横方向（例えば、空間的）コヒーレンスを有するとき、Ｘ線強度変調を維持することができる。Ｘ線強度変調は、層状材料構造３２４内の少なくとも１つの対象原子元素の空間情報をプローブするために使用することができる。入射Ｘ線ビーム３３２が十分な縦方向（例えば、時間的）コヒーレンスおよび十分な横方向（例えば、空間的）コヒーレンスを有するとき、入射Ｘ線ビーム３３２と反射Ｘ線ビーム３３６との干渉からのＸ線強度は、以下のように表すことができる。
Figure 2023542674000008
ここで、Ａ１およびＡ２はそれぞれ入射Ｘ線ビーム３３２および反射Ｘ線ビーム３３６の振幅であり、φは入射Ｘ線ビーム３３２と反射Ｘ線ビーム３３６との間の相対位相差である。
図１０に示す層状材料構造３２２の場合、層状材料構造３２２内のＸ線強度変調は、入射Ｘ線ビーム３３２と第１および第２の反射Ｘ線ビーム３３６ａ、ｂとの干渉から生じる。第１の反射Ｘ線ビーム３３６ａは、層状材料構造３２２（例えば、Ｓｉ層３２５およびギャップ３２６）の２つの領域の界面によって反射された入射Ｘ線ビーム３３２から生じ、第２の反射Ｘ線ビーム３３６ｂは、層状材料構造３２２の２つの領域の界面によってさらに反射された第１の反射Ｘ線ビーム３３６ａから生じる。第２の反射Ｘ線ビーム３３６ｂの振幅は、一般に、第１の反射Ｘ線ビーム３３６ａの振幅よりも弱い。例えば、層状材料構造３２４による入射Ｘ線ビーム３３２の減衰および反射からの無視できる振幅減少を仮定すると、下部Ｓｉ層３２５（例えば、基板３２２に最も近いＳｉ層）の下面におけるＸ線強度Ｉ１は、以下のように近似および表現することができる。
Figure 2023542674000009
ここで、Ａ０は入射Ｘ線ビーム３３２の振幅であり、Ａ１およびＡ２はそれぞれ、基板３２２および下部Ｓｉ層３２５の下面から反射された第１の反射Ｘ線ビーム３３６ａの振幅であり、φは、下部Ｓｉ層３２５の下面における入射Ｘ線ビーム３３２と基板３２２から反射された第１の反射Ｘ線ビーム３３６ａとの間の相対位相差であり、下部Ｓｉ層３２５の下面から基板３２２への入射Ｘ線ビーム３３２のＸ線ビーム経路長に、基板３２２から下部Ｓｉ層３２５の下面へ反射された第１の反射Ｘ線３３６ａのＸ線ビーム経路長を加えたものにほぼ等しい。
Ａ０がＡ１およびＡ２よりもはるかに大きい場合、下部Ｓｉ層３２５の下面におけるＸ線強度Ｉ１は、以下のように近似および表現することができる。
Figure 2023542674000010
入射Ｘ線ビーム３３２の入射角を変化させることによって、下部Ｓｉ層３２５の下面におけるＸ線強度Ｉ１を４・Ａ０・Ａ１だけ変化させることができ、それによって下部Ｓｉ層３２５の下面における原子元素組成に関する情報を提供することができる。同様に、下部Ｓｉ層３２５の上面におけるおおよそのＸ線強度は、（下部Ｓｉ層３２５の下面と基板３２２との間の間隔が下部Ｓｉ層３２５の厚さと同じであると仮定して）次のように表すことができる。
Figure 2023542674000011
ここで、Ａ３は、下部Ｓｉ層３２５の上面から反射された第１の反射Ｘ線ビーム３２６ａの振幅である。
したがって、同じ入射角３３４において、下部Ｓｉ層３２５の上面上のＸ線強度は２・Ａ０・Ａ１・ｃｏｓ（φ）＋２・Ａ０・Ａ２・ｃｏｓ（φ）によって変調されるが、下部Ｓｉ層３２５の下面上のＸ線強度は２・Ａ０・Ａ１・ｃｏｓ（φ）によって変調される。以下の表３は、φのいくつかの選択された値について、Ｂ＝２・Ａ０・Ａ１・ｃｏｓ（φ）およびＣ＝２・Ａ０・Ａ１・ｃｏｓ（φ）＋２・Ａ０・Ａ２・ｃｏｓ（φ）の値を示す。
Figure 2023542674000012
入射Ｘ線ビーム３３２のエネルギーが１ｋｅＶより大きい場合に良好な近似とすることができるＡ１＝Ａ２の場合、表２は、表４に示すように、係数Ａ０・Ａ１に基づく値を有するように簡略化することができる。
Figure 2023542674000013
表２および表３に示すように、特定の実施態様では、下部Ｓｉ層の上面および下面における相対Ｘ線強度は、相対位相差を変更することによって変更することができ、これを使用して２つの表面上の材料の相対情報（例えば、ナノシートトランジスタ製造プロセス中のＳｉＧｅエッチング後の２つの表面上の相対的なＧｅ残留物、２つの表面の両方のＨｆＯ２層の厚さ）を取得することができる。特定の実施態様では、適切な値を選択することによって、２つの表面のうちの１つでＸ線強度の最大値または最小値を取得することができ、半導体デバイス製造中のプロセス監視のための最適条件の選択を可能にする。
上記の議論は、Ｓｉ層／ギャップ領域の２層対のみを含む層状材料構造３２４における下部Ｓｉ層３２５の界面、ならびに下部Ｓｉ層３２５の上面および下面におけるＸ線強度変調の計算に焦点を合わせている。しかしながら、特定の実施態様では、十分なコヒーレンス条件を有する入射Ｘ線ビーム３３２でＸ線強度変調を生成するためにＸ線干渉を使用する方法は、有限個の層を有する任意の層状材料構造３２４に対して一般化することができる。特定のそのような実施形態は、特定の材料および／または構造パラメータに対して最適化された少数の測定値のみが基準標準上の同じ測定条件下で基準に使用される計測およびプロセス監視に使用することができる。
特定の実施態様では、試料内のＸ線強度変調は、試料の表面から出現するすべての反射Ｘ線の合計に比例し、入射Ｘ線ビームの割合で表すことができるＸ線反射率によって表すことができる。Ｘ線反射率は、反射されたＸ線ビームの位相ではなく、反射されたビームのＸ線強度のみを測定する。結果として、Ｘ線反射率測定は、試料内のＸ線強度分布に関する情報を提供しない。
図１１は、シリコン基板３２２（例えば、図１０を参照）上に互いに１０ｎｍ離間された（例えば、２０ｎｍ周期を有する）１０ｎｍ厚のＳｉ層３２５を有する２対のＳｉ／ギャップ領域を含む層状材料構造３２４からの計算されたＸＲＲ曲線を示す。ＸＲＲ曲線は、層状材料構造３２４の界面からの入射Ｘ線ビーム３３２およびすべての反射Ｘ線ビーム３３６の干渉から生じる反射率の最小値および最大値を含む。反射率の最小値および最大値は、層状材料構造３２４内のＸ線強度変調に直接関係する。
図１１はまた、ＸＲＲ曲線が極小または極大にある４つの入射角についての３つの示された界面、すなわち、２つのＳｉ層３２５の上面および基板３２２における相対位相差を概略的に示す。最初の最小値は、上部Ｓｉ層３２５の上面からの第１の反射Ｘ線ビーム３３６ａと基板３２２から反射された第１の反射Ｘ線ビーム３３６ａとの位相差が破壊的干渉をもたらす入射角に対して生じる。最初の最大値は、上部Ｓｉ層３２５の上面からの第１の反射Ｘ線ビーム３３６ａと基板３２２から反射された第１の反射Ｘ線ビーム３３６ａとの位相差が建設的干渉をもたらす入射角に対して生じる。
本明細書に記載される特定の実施態様は、様々な深さの平坦な基板上の層状材料構造における１つまたは複数の対象原子元素の深さ分布を特性評価するために使用することができる。例えば、入射Ｘ線ビーム３３２に応答して、より大きな差を提供するように選択された入射角の４つの値を用いて（例えば、Ｇｅ特性Ｘ線を検出する）、２つのＳｉ層３２５の上面および下面または下面付近の原子元素（例えば、Ｇｅ）の相対量を測定することができる。本明細書に記載される特定の実施態様は、層状材料構造内の任意の深さ（例えば、特定の界面に限定されない）で１つまたは複数の対象原子元素を測定するために使用することができる。本明細書に記載される特定の実施態様は、周期性の有無にかかわらず、複数の層を含む層状材料構造を分析するために使用することができる。
本明細書に記載される特定の実施態様は、有限個のＸ線測定例を具体的に選択することを含む。
本明細書に記載される特定の実施態様は、長いコヒーレント長を有する低エネルギーＸ線を利用する。例えば、Ｃｕ Ｋα１およびＫα２は４００Ｘであり、１．５Ａは多層モノクロメータで６００Ａ（６０ｎｍ）をもたらし、６００ｎｍのコヒーレンス長を得るために４０００倍の分解能を得る（単にＫα１を選択する）ために単結晶モノクロメータを使用する必要がある。Ｓｉ Ｋαの場合、１７４０／０．７＞２０００ｘ×０．６ｎｍ＝１２００ｎｍのコヒーレンス長である。さらに、より低いエネルギーのＸ線は、試料上の小さなＸ線ビームフットプリントを用いた計測およびプロセス監視に利点を提供するが、これは、それぞれの対物面に対するＸ線入射角が臨界角に比例し、入射Ｘ線ビームの角度コリメーションがＸ線波長に比例し、ＨｆＯ２のＯなどの半導体デバイス内の多くの対象の低Ｚ元素の蛍光断面積がより大きくなるためである。ＨｆＯ２厚さは、化学量論が同じままであるか、または他の技術もしくはその両方によって既知であると仮定して、２つの元素のうちの一方を用いて測定することができる。
入射Ｘ線ビームが試料上の４０ミクロン未満のサイズにサジタル方向に集束される特定の実施態様では、複数の試験パッドを接線方向に沿って使用することができ、その例は、大きな収束角または高い入射角、高角度高調波（例えば、より短い定在波を伴う高い角度、したがってより高い解像度）、対象原子元素および／または対象材料中の原子元素の吸収端の上下の二重Ｘ線エネルギー、定在波ピッチの半分よりも短いＸ線波長のうちの１つまたは複数を有する。
特定の実施態様では、入射Ｘ線ビームは、少なくとも１つの層状材料構造を含む試料上に向けることができる。例えば、平坦な材料構造を含む試料の場合、入射角は、２０度未満であり、平坦な基板の全外部反射の臨界角または層状材料構造の臨界角のいずれか大きい方よりも大きくすることができる。層状材料構造の内部のＸ線強度変化は、固定されたＸ線プロービングエネルギーのためのかすめ入射角を変更することによって、または固定されたかすめ入射角のためのＸ線エネルギーを変更することによって変更することができる。
特定の実施態様では、入射Ｘ線ビームのＸ線エネルギーは、元素特異的な深さ情報を取得するために、試料内に短い侵入長を有する２次粒子を生成するように選択される。侵入長が短い異なる２つ以上の２次粒子を使用すると、高い深さ測定感度および適度に大きいプロービング深さを達成することができる。特定の実施態様では、入射Ｘ線ビームの複数のＸ線エネルギーを使用し、ある範囲の原子元素に対して最適化して、所望の侵入長を有する２次粒子を生成することができる。これらの技法の深度プロービング能力は、単独で、または互いに組み合わせて使用することができる。
特定の実施態様は、ナノメートル分解能で構造を深さおよび／または３Ｄで測定するために使用することができる。例えば、特定の属性を有する入射Ｘ線ビームは、基板の平坦面に対してかすめ入射角で１つまたは複数の層状材料構造上に向けられて、基板の平坦面の表面法線に沿ってＸ線強度変動を生成することができ、Ｘ線強度変動は、入射Ｘ線ビームと層状材料構造および基板の界面から反射されたＸ線との干渉から生じる。かすめ入射角を調整することによって、表面法線に沿ったＸ線強度分布を変化させることができる。層状材料構造中の１つまたは複数の原子元素によるＸ線の吸収（例えば、イオン化）により、２次粒子（例えば、特性蛍光Ｘ線、光電子、およびオージェ電子）を生成することができる。特性蛍光Ｘ線およびオージェ電子は、高度に原子元素特異的であり、Ｘ線ビームのＸ線エネルギーとは無関係である。入射Ｘ線ビームが単色である場合、光電子はまた、それらのエネルギーが入射ビームのＸ線エネルギーと原子元素内の電子の結合エネルギーとの間の差に等しいため、原子元素特異的である。所与の構造（例えば、薄層）について、原子元素によって生成される２次粒子の数は、層におけるＸ線強度および原子元素の原子番号に比例する。したがって、層状材料構造中の１つまたは複数の原子元素の量は、原子元素に特異的な２次粒子の数を測定することによって測定することができる。較正された標準基準試料では、この技術を使用して、半導体製造プロセスにおける対象材料中の原子元素の量を測定および監視して、製造プロセスが所定のプロセスウィンドウ内にあることを確実にすることができる。Ｘ線強度分布は、Ｘ線エネルギーおよびかすめ入射角に応じて１ｎｍ～２０ｎｍの間で変化し得るので、かすめ入射角を調整することによって、平坦面の表面法線に沿った１つまたは複数の原子元素の分布を測定することができる。表面法線に沿ったＸ線強度変動は、半導体デバイスの層状材料構造およびそれらの製造プロセスの研究に特によく適し得る。
特定の実施態様では、入射Ｘ線ビームのＸ線エネルギーは、１ｎｍ～５００ｎｍの有効線形減衰長（例えば、光電子およびオージェ電子の非弾性平均自由行程と同等）および５０％を超えるそれらの有効線形減衰長の比を有する多数の少なくとも２つの２次粒子を効率的に生成するように選択される。比較的短い有効線形減衰長は、２次粒子の原点から層状材料構造の表面への２次粒子透過の比較的強い依存性を得るために有用であり得る。それらの有効線形減衰長の間の大きな差は、深さ測定感度と十分な測定深さとのバランスをとるのに有用であり得る。例えば、光電子エネルギーは、入射ビームのＸ線エネルギーを選択することによって変化させることができる。さらに、原子内の２つの異なる電子殻からの光電子は、異なるエネルギーおよび異なる対応する有効線形減衰長を有する。
特定の実施態様では、入射Ｘ線ビームは単色または準単色であり、Ｘ線の５０％超が１％未満のエネルギー帯域幅内にある。入射Ｘ線エネルギーは、３００ｅＶより大きいエネルギー差を有する１原子元素から光電子を生成するように選択することができる。入射Ｘ線エネルギーは、同じ原子元素または異なる原子元素からのオージェ電子から３００ｅＶより大きいエネルギー差を有する光電子を生成するように選択することができる。入射Ｘ線エネルギーは、層状材料構造を通る生成されたＸ線の線形減衰長が２００ｎｍ未満であるように、１つまたは複数の原子元素から１つまたは複数の特性Ｘ線エネルギーを有するＸ線を生成するように選択することができる。特定の実施態様では、特性Ｘ線について５００ｎｍ未満の線形減衰長および３０ｎｍ未満の非弾性平均自由行程を有する２次粒子を生成するために、２つ以上の入射Ｘ線エネルギーが使用される。線形減衰長（Ｘ線）または非弾性平均自由行程（電子）を有する複数の２次粒子を検出し、層状材料構造の構造情報を得るために使用することができる。層状材料構造内の１つまたは複数の原子元素による２次粒子生成の効率は、所与のＸ線ビームエネルギーに対するかすめ入射角を変化させながらＸ線ビーム強度を変化させることによって変化させることができる。例えば、２次粒子が収集されている間に、ある範囲のかすめ入射角にわたってかすめ入射角を走査することができる。Ｘ線反射率を測定し、かすめ入射角の値を較正または決定するために使用することができる。特定の実施態様では、２次粒子は、ある範囲のかすめ入射角にわたってＸ線反射率測定と同時に収集される。２つの測定からのデータを使用して、層状材料構造に関する構造および材料情報を得ることができる。
本明細書に記載される特定の実施態様は、他の分析技術に見られる１つまたは複数の課題または問題を回避することができる。例えば、光散乱計測はモデル依存型であり（例えば、モデルを提供するために撮像を必要とすることが多い）、これは、層状材料構造の複雑さの増大および新しい半導体デバイスの特徴寸法の縮小のために混乱する可能性がある。電子顕微鏡（ＥＭ）および原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、典型的には、層状材料構造の深さ情報を得るために破壊的試料調製を必要とし、これは時間がかかり破壊的であり、したがってプロセス監視技術にとって望ましくない可能性がある。電子マイクロプローブベースの技術は、大きな連続制動放射Ｘ線バックグラウンド（例えば、電子誘起Ｘ線蛍光分光法の場合）および／または大きな電子バックグラウンド（例えば、オージェ分光法において）のために検出感度が制限される可能性があり、高深度分解能のために薄い断面の破壊的試料調製を必要とする可能性がある。さらに、分析領域上の電子ビーム誘起炭素堆積は、分析領域上に堆積した炭素の量に関連する測定誤差をもたらす可能性があり、特に低エネルギー特性Ｘ線またはオージェ電子を検出する場合、帯電が問題になる可能性がある。実験室用Ｘ線源を有する透過型小角Ｘ線散乱（ｔＳＡＸＳ）システムは、十分な深さ分解能で層状材料構造を測定するための許容可能なスループットを有さない場合がある。
一般的に使用される用語は、理解を容易にするために特定の実施態様のシステムおよび方法を説明するために使用されるが、これらの用語は、本明細書ではそれらの最も広い合理的な解釈を有するために使用される。本開示の様々な態様は、例示的な例および実施態様に関して説明されているが、開示された例および実施態様は、限定するものとして解釈されるべきではない。「ｃａｎ」、「ｃｏｕｌｄ」、「ｍｉｇｈｔ」、または「ｍａｙ」などの条件付き用語は、特に明記しない限り、または使用される文脈内で他の意味で理解されない限り、一般に、特定の実施態様は、特定の特徴、要素、および／またはステップを含むが、他の実施態様は含まないことを伝えることを意図している。したがって、そのような条件付き用語は、一般に、特徴、要素、および／またはステップが１つまたは複数の実施態様に何らかの形で必要とされることを意味することを意図するものではない。特に、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、要素、構成要素、またはステップを非排他的な方法で参照するものとして解釈されるべきであり、参照される要素、構成要素、またはステップが存在するか、または利用されるか、または明示的に参照されていない他の要素、構成要素、またはステップと組み合わされ得ることを示す。
句「Ｘ、ＹおよびＺのうちの少なくとも１つ」などの連言用語は、特に明記しない限り、項目、用語などがＸ、Ｙ、またはＺのいずれかであり得ることを伝えるために一般に使用される文脈内で理解されるべきである。したがって、そのような連言用語は、一般に、特定の実施態様がＸのうちの少なくとも１つ、Ｙのうちの少なくとも１つ、およびＺのうちの少なくとも１つの存在を必要とすることを意味するようには意図されていない。
用語「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、「約（ａｂｏｕｔ）」、「一般に（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ）」、および「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの本明細書で使用される程度の用語は、依然として所望の機能を実行するか、または所望の結果を達成する、記載された値、量、または特性に近い値、量、または特性を表す。例えば、「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、「約（ａｂｏｕｔ）」、「一般に（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ）」、および「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、記載された量の±１０％以内、±５％以内、±２％以内、±１％以内、または±０．１％以内の量を指し得る。他の例として、「ほぼ平行」および「実質的に平行」という用語は、正確に平行から±１０度、±５度、±２度、±１度、または±０．１度逸脱する値、量、または特性を指し、「ほぼ垂直」および「実質的に垂直」という用語は、正確に垂直から±１０度、±５度、±２度、±１度、または±０．１度逸脱する値、量、または特性を指す。本明細書に開示される範囲はまた、任意のおよびすべての重複、部分範囲、およびそれらの組合せを包含する。「～まで（ｕｐ ｔｏ）」、「少なくとも（ａｔ ｌｅａｓｔ）」、「より大きい（ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ）」、「未満（ｌｅｓｓ ｔｈａｎ）」、「間（ｂｅｔｗｅｅｎ）」などの語は、列挙された数字を含む。本明細書で使用される場合、「ａ」、「ａｎ」、および「ｓａｉｄ」の意味は、文脈が明らかにそうでないことを指示しない限り、複数の言及を含む。構造および／または方法は、本明細書では順序形容詞（例えば、第１、第２など）によってラベル付けされた要素に関して説明されているが、順序形容詞は単に１つの要素を別の要素から区別するためのラベルとして使用され、順序形容詞はこれらの要素の順序またはそれらの使用を示すために使用されない。
以上、種々の構成について説明した。本明細書に開示された実施態様は相互に排他的ではなく、様々な構成で互いに組み合わせることができることを理解されたい。本発明をこれらの特定の構成を参照して説明してきたが、説明は本発明を例示することを意図しており、限定することを意図していない。本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者には様々な修正および応用が思い浮かぶであろう。したがって、例えば、本明細書に開示された任意の方法またはプロセスにおいて、方法／プロセスを構成する行為または動作は、任意の適切な順序で実行されてもよく、必ずしも任意の特定の開示された順序に限定されない。上述した様々な実施態様および例からの特徴または要素を互いに組み合わせて、本明細書に開示された実施態様と互換性のある代替構成を生成することができる。実施態様の様々な態様および利点が、適切な場合に記載されている。そのような態様または利点のすべてが、任意の特定の実施態様に従って必ずしも達成されるとは限らないことを理解されたい。したがって、例えば、様々な実施態様は、本明細書で教示または示唆され得るような他の態様または利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示されるような１つの利点または利点群を達成または最適化するように実行され得ることが認識されるべきである。

Claims (20)

  1. 試料の３次元構造を分析するための方法であって、前記方法は、
    第１のＸ線ビームを生成することであって、前記第１のＸ線ビームは、半値全幅で２０ｅＶ未満の第１のエネルギー帯域幅と、第１の対象原子元素の第１の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ高い範囲にある第１の平均Ｘ線エネルギーとを有し、前記第１のＸ線ビームは、前記第１のＸ線ビームの第１の伝播方向に垂直な少なくとも１つの方向において７ｍｒａｄ未満の第１のコリメーション角度範囲を有するようにコリメートされる、生成することと、
    前記試料の実質的に平坦な表面に対して複数の入射角で前記第１のＸ線ビームを前記試料に照射することであって、前記複数の入射角の前記入射角は、３ｍｒａｄ～４００ｍｒａｄの範囲にある、照射することと、
    同時に前記試料からの前記第１のＸ線ビームの反射部分を検出するとともに前記試料からのＸ線蛍光Ｘ線および／または光電子を検出することと、
    を含む、方法。
  2. 前記第１の対象原子元素の前記第１の吸収端エネルギーは０．１ｋｅＶ～５．４ｋｅＶの範囲にある、請求項１に記載の方法。
  3. 前記試料はシリコン基板を備え、前記第１の平均Ｘ線エネルギーはシリコンの１．８４ｋｅＶ吸収端エネルギー未満である、請求項１に記載の方法。
  4. 前記第１のコリメーション角度範囲は４ｍｒａｄ未満である、請求項１に記載の方法。
  5. 前記第１の平均Ｘ線エネルギーは、前記第１の対象原子元素の前記第１の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～５ｅＶ高い範囲にある、請求項１に記載の方法。
  6. 前記第１のＸ線ビームを前記生成することは、少なくとも１つのＸ線発生材料に電子を照射することと、１００ｅＶ～５．５ｋｅＶの範囲にある特性Ｘ線を生成する前記少なくとも１つのＸ線発生材料からＸ線を放出することとを含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記第１のＸ線ビームを前記生成することは、前記第１のエネルギー帯域幅を有するように前記Ｘ線をフィルタリングすることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
  8. 前記第１のＸ線ビームは、前記第１の伝播方向と前記表面に垂直な方向とを含む反射平面で前記試料に衝突し、前記第１のＸ線ビームは、前記反射平面においてコリメーション角度を有し、前記コリメーション角度は、前記反射平面に垂直な平面における前記第１のＸ線ビームの収束角度よりも小さい、請求項１に記載の方法。
  9. 前記第１のＸ線ビームを前記試料に前記照射することと、前記同時に前記第１のＸ線ビームの前記反射部分を検出するとともに前記Ｘ線蛍光Ｘ線および／または前記光電子を検出することとは、前記試料が少なくとも１つの処理手順を受けた後に実行され、前記方法は、
    少なくとも前記検出された第１の反射部分、前記検出されたＸ線蛍光Ｘ線、および／または前記検出された光電子を分析することによって前記試料に関する空間および／または組成情報の第１のセットを取得することと、
    前記試料に関する空間および／または組成情報の前記取得された第１のセットを、前記試料が前記少なくとも１つの処理手順を受ける前の前記試料に関する空間および／または組成情報の第２のセットと比較することと、
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  10. 第２のＸ線ビームを生成することであって、前記第２のＸ線ビームは、半値全幅で２０ｅＶ未満の第２のエネルギー帯域幅と、前記第１の対象原子元素の前記第１の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ低い範囲にある第２の平均Ｘ線エネルギーとを有し、前記第２のＸ線ビームは、前記第２のＸ線ビームの第２の伝播方向に垂直な少なくとも１つの方向において７ｍｒａｄ未満の第２のコリメーション角度範囲を有するようにコリメートされる、生成することと、
    前記第２のＸ線ビームを前記試料に照射することと、
    前記試料からの前記第２のＸ線ビームの第２の反射部分を検出することと、
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記検出された第１の反射部分、前記検出されたＸ線蛍光Ｘ線、および／または前記検出された光電子とともに前記検出された第２の反射部分を分析することによって前記試料に関する空間および組成情報を取得することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 第２のＸ線ビームを生成することであって、前記第２のＸ線ビームは、半値全幅で２０ｅＶ未満の第２のエネルギー帯域幅と、前記第１の対象原子元素の第２の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ高い範囲にある第２の平均Ｘ線エネルギーとを有し、前記第１の吸収端エネルギーと前記第２の吸収端エネルギーとは少なくとも１ｋｅＶだけ互いに分離され、前記第２のＸ線ビームは、前記第２のＸ線ビームの第２の伝播方向に垂直な少なくとも１つの方向において７ｍｒａｄ未満の第２のコリメーション角度範囲を有するようにコリメートされる、生成することと、
    前記第２のＸ線ビームを前記試料に照射することと、
    前記試料からの前記第２のＸ線ビームの第２の反射部分を検出することと、
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  13. 第２のＸ線ビームを生成することであって、前記第２のＸ線ビームは、半値全幅で２０ｅＶ未満の第２のエネルギー帯域幅と、前記第１の対象原子元素とは異なる第２の対象原子元素の第２の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ高い範囲にある第２の平均Ｘ線エネルギーとを有し、前記第２のＸ線ビームは、前記第２のＸ線ビームの第２の伝播方向に垂直な少なくとも１つの方向において７ｍｒａｄ未満の第２のコリメーション角度範囲を有するようにコリメートされる、生成することと、
    前記第２のＸ線ビームを前記試料に照射することと、
    前記試料からの前記第２のＸ線ビームの第２の反射部分を検出することと、
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  14. 前記複数の入射角は１００未満の入射角を含み、前記入射角の少なくとも２０％は少なくとも３ｍｒａｄだけ互いに分離される、請求項１に記載の方法。
  15. 前記試料からの前記第１のＸ線ビームの前記検出された反射部分における期待される極値および／または前記試料からの前記検出されたＸ線蛍光Ｘ線における期待される極値に対応するように、前記複数の入射角のうちの少なくとも一部の入射角を選択することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 期待値と前記検出された第１の反射部分との間および／または期待値と前記検出されたＸ線蛍光Ｘ線との間の偏差を分析することと、
    前記偏差が所定の範囲外にあることに応答して警告を開始することと、
    をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
  17. 実質的に平行な界面を備える層状構造を分析するための方法であって、前記方法は、
    前記実質的に平行な界面に対して３ｍｒａｄ～４００ｍｒａｄの範囲の１つまたは複数の入射角で入射Ｘ線ビームを前記層状構造に照射することであって、前記入射Ｘ線ビームは、半値全幅で２０ｅＶ未満のエネルギー帯域幅と、対象原子元素の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ高い範囲にある平均Ｘ線エネルギーとを有し、前記入射Ｘ線ビームは、前記入射Ｘ線ビームと、前記層状構造の前記実質的に平行な界面によって反射された前記入射Ｘ線ビームのＸ線との建設的および破壊的干渉によって前記層状構造の内部にＸ線強度変調を生成するのに十分なコヒーレンスを有する、照射することと、
    同時に前記実質的に平行な界面によって反射された前記Ｘ線の少なくとも一部を検出するとともに前記層状構造からのＸ線蛍光Ｘ線および／または光電子を検出することと、
    を含む、方法。
  18. 前記平均Ｘ線エネルギーは、前記対象原子元素の前記吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～５ｅＶ高い範囲にある、請求項１７に記載の方法。
  19. 試料の３次元構造を分析するためのシステムであって、前記システムは、
    半値全幅で２０ｅＶ未満のエネルギー帯域幅と、対象原子元素の吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～１ｋｅＶ高い範囲にある平均Ｘ線エネルギーとを有する少なくとも１つのＸ線ビームを生成するように構成された少なくとも１つのＸ線源であって、前記少なくとも１つのＸ線ビームは、前記少なくとも１つのＸ線ビームの伝播方向に垂直な少なくとも１つの方向において７ｍｒａｄ未満のコリメーション角度範囲を有するようにコリメートされ、前記少なくとも１つのＸ線源は、前記試料の実質的に平坦な表面に対して複数の入射角で前記試料を照射するように前記少なくとも１つのＸ線ビームを向けるようにさらに構成され、前記複数の入射角の前記入射角は、３ｍｒａｄ～４００ｍｒａｄの範囲にある、少なくとも１つのＸ線源と、
    前記試料からの前記少なくとも１つのＸ線ビームの反射部分を検出するように構成された少なくとも１つの第１の検出器と、
    前記少なくとも１つの第１の検出器が前記少なくとも１つのＸ線ビームの前記反射部分を検出するのと同時に、前記試料からのＸ線蛍光Ｘ線および／または光電子を検出するように構成された少なくとも１つの第２の検出器と、
    を備える、システム。
  20. 前記平均Ｘ線エネルギーは、前記対象原子元素の前記吸収端エネルギーよりも１ｅＶ～５ｅＶ高い範囲にある、請求項１９に記載のシステム。
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