JP4677217B2 - サンプル検査方法、サンプル検査装置、マイクロエレクトロニックデバイス製造用クラスタツール、マイクロエレクトロニックデバイス製造用装置 - Google Patents

Description

本発明は、概して、分析器具、特に、エックス線を用いてサンプルの表面層の分析のための器具および方法に関する。

小角エックス線散乱(SAXRS)は、表面層特性決定用の周知の方法である。これは、例えば、非特許文献１に説明されており、これは、この参照により本明細書に組み込まれる。この方法では、入射エックス線ビームは表面から全外反射される。表面領域内のエバネッセント波は、領域内の微視的構造により散乱される。散乱されるエバネッセント波を測定すると、これらの構造に関する情報が提供される。例えば、パリル（Parrill）他は、表面上での膜成長に関連する、アイランドに関するサイズ情報を決定する技術の使用を説明する。

SAXRSは、このように、シリコンウエハ上に形成された、低k誘電体表面層内の孔の特性を決定するのに使用可能である。ナノ多孔性の珪酸塩および重合体は、サブ0.25μｍ技術でのマイクロエレクトロニックデバイスにおける使用のための魅力的な材料であると考えられるが、今までのところ、孔サイズおよび密度の非破壊的特性決定が困難な仕事であることが立証されている。多孔性低k材料の特性決定に拡散エックス線反射率を用いることは、例えば、非特許文献２に説明されており、これは、この参照により本明細書に組み込まれる。同様の方法は、イトー（Ito）により、非特許文献３で説明されており、これはこの参照により本明細書に組み込まれる。

SAXRSのための既知の技術は、サンプルの表面の照射にエックス線モノクロコリメートビームを使用する。当技術分野で知られているエックス線コリメータおよびモノクロメータは、効率が非常に悪くなる傾向がある。したがって、サンプル表面上のモノクロコリメートエックス線ビームの光束は概して非常に弱く、散乱測定における弱信号/雑音比、および低スループットを導く。散乱測定に役立つエックス線光束を増加させる、多くの試みがなされてきた。例えば、イワサキ（Iwasaki）は、特許文献１において、小角散乱システムに用いるエックス線光学装置および多層ミラーについて説明しており、これはこの参照により本明細書に組み込まれる。多層ミラーは、2つの焦点を持つ楕円反射面を有している。したがって、一方の焦点にある線源からのエックス線ビームは、小角散乱測定において高精度を提供するといわれるように、他方の焦点にあるスポットへ焦点を合わせる。

しかし、上記の従来技術では、エックス線散乱分析の感度およびスループットを十分には高めることができない。

本発明の実施の形態は、高感度および高スループットを伴う、エックス線散乱分析方法およびシステムを提供する。これらの実施の形態では、複数の異なる光子エネルギーのエックス線がサンプルから同時に散乱されるよう、サンプルにエックス線の多色性ビームが照射される。固体検出器アレイなどのエックス線センサは、様々な角度で散乱する光子を感知する。センサの出力信号は、典型的には、範囲内の各角度でセンサに入射する光子エネルギーを分解させるよう、エネルギー分散技術を用いて処理される。このように、サンプルのエックス線散乱プロフィールは、多色性エンベロープ内部の単一光子エネルギーで、あるいは同時に2つ以上の光子エネルギーで、角度の関数として決定することができる。

そのため、本発明は、散乱測定で使用されるエックス線ビームをモノクロ化する必要性を排除し、結果として、通常はモノクロメータに関連するビームフラックスの損失が回避される。さらに、複数のエネルギーで同時にエックス線散乱プロフィールを決定するという本発明により提供される能力は、一般に単一エネルギー散乱プロフィールにより提供されるよりも、サンプル特性のより完全かつ正確な画像を得るために使用できる。本発明は、小角エックス線散乱(SAXRS)測定で特に役立つが、また、他のタイプのエックス線散乱技術に適用できる。

したがって、本発明の１つの実施の形態により、
１つの範囲内の光子エネルギーを有するエックス線光子を含む、エックス線の多色性ビームでサンプルを照射すること、
入射するエックス線光子のそれぞれの光子エネルギーを表わす出力信号を生成する１以上のセンサを用いて、複数の散乱角でサンプルから散乱されたエックス線を受光すること、
光子エネルギーに基づいて出力信号を分析して、上記の範囲内で選択された光子エネルギーでサンプルの散乱プロフィールを決定すること
からなるサンプル検査方法が提供される。
典型的には、前記のサンプルの照射は、エックス線ビームをコリメートすることを含む。

１つの実施の形態では、前記の出力信号の分析は、前記の範囲内の選択された第１および第２の光子エネルギーで、散乱プロフィールを決定することを含む。典型的には、前記のサンプルへの照射は、陽極材料からなる陽極を備えたエックス線管を用いるビームの生成を含み、ここに、第１および第２の光子エネルギーが前記の陽極材料の第１および第２の原子輝線に対応している。前記の陽極材料は、それぞれ第１および第２の原子輝線を生成する第１および第２の元素を含んでいてもよい。

若干の実施の形態では、前記のエックス線の受光は、各素子が、複数の散乱角のうちの１つで散乱されたエックス線を受光するよう、検知素子のアレイを用いて、散乱されたエックス線を受光することを含んでいる。典型的には、前記の出力信号の分析は、検知素子上に、選択された光子エネルギーで入射するエックス線光子をカウントすることを含んでいる。１つの実施の形態では、前記のエックス線光子のカウントは、検知素子の多様性に共通する読取回路を用いて、その上に入射する散乱されたエックス線に起因して、各検知素子に生成される電荷の読出しを含んでいる。他の実施の形態では、前記のエックス線光子のカウントは、その上に入射する散乱されたエックス線により各検知素子により生成されるパルスの処理を含んでいる。前記の方法は、任意であるが、検知素子のアレイを用いて、複数の仰角にわたって、サンプルから反射するエックス線を受光し、選択された光子エネルギーでのサンプルの反射測定プロフィールを決定するために、光子エネルギーに基づく出力信号を分析することを含んでいる。

典型的には、前記の出力信号の分析は、サンプル表面の平面における方位角の関数として散乱プロフィールを決定することを含んでいる。１つの実施の形態では、前記の出力信号の分析は、サンプル基板上にある多孔性表面層に起因する散乱プロフィールを決定し、さらに、散乱プロフィールに基づいて、多孔性表面層内に位置する孔の１つ以上の特性を推定することを含んでいる。典型的には、前記のサンプルは、半導体ウエハからなり、前記の出力信号の分析は、ウエハ上の薄膜層に起因する散乱プロフィールを決定することを含んでいる。

また、本発明の１つの実施の形態により、
それぞれ異なる第１および第２の光子エネルギーを有する少なくとも第１エックス線および第２エックス線を含むエックス線の多色性ビームでサンプルを照射すること、
複数の散乱角で、サンプルから散乱された第１および第２のエックス線を検出すること、および
検出されたエックス線を分析して、第１および第２の光子エネルギーでのサンプルの散乱プロフィールを決定すること
を含むサンプル検査方法も提供される。
サンプル検査方法。

開示された１つの実施の形態では、前記の検出されたエックス線の分析は、サンプル表面の平面における方位角の関数として散乱プロフィールを決定することを含み、１つ以上の特性の推定は、第１エネルギーおよび第２エネルギーの双方での散乱プロフィールに合うよう、１つ以上の特性を決定することを含んでいる。

本発明の１つの実施の形態により、さらに、
それぞれ異なる第１および第２の光子エネルギーを有する少なくとも第１エックス線および第２エックス線を含む、エックス線の多色性ビームでサンプルの表面領域を照射する放射源、
複数の散乱角でサンプルから散乱された、上記の第１および第２のエックス線を受光し、受光した放射に応答する信号を生成する検知素子のアレイ、および、
上記の検知素子からの信号を処理して、上記の第１および第２の光子エネルギーでサンプルの散乱プロフィールを決定する信号プロセッサ
からなるサンプル検査装置が提供される。

さらに、本発明の１つの実施の形態によって
１つの範囲内の光子エネルギーを有するエックス線光子を含む、エックス線の多色性ビームでサンプルの表面領域を照射する放射源、
複数の散乱角でサンプルから散乱されたエックス線を受光し、入射したエックス線光子のそれぞれの光子エネルギーを表す出力信号を生成する検知素子のアレイ、および、
上記の出力信号を処理して、上記の範囲内の選択された光子エネルギーでサンプルの散乱プロフィールを決定する信号プロセッサ
からなるサンプル検査装置が提供される。

さらに、本発明の１つの実施の形態により、
薄膜層を、半導体ウエハ表面に堆積させるよう適合した堆積ステーション、および、検査ステーションからなるマイクロエレクトロニックデバイス製造用クラスタツールが提供される。
この検査ステーションは
それぞれ異なる第１および第２の光子エネルギーを有する少なくとも第１エックス線および第２エックス線を含むエックス線の多色性ビームでウエハの表面領域を照射する放射源、
複数の散乱角で上記の半導体ウエハから散乱された第１および第２のエックス線を受光し、受光した放射に応答して信号を生成する検知素子のアレイ、および
上記の堆積ステーションにより堆積された薄膜層の品質を評価するために、検知素子からの信号を処理して、第１および第２の光子エネルギーでウエハの散乱プロフィールを決定する信号プロセッサ、からなる。

さらに、本発明の１つの実施の形態により、
薄膜層を、半導体ウエハ表面に堆積させるよう適合した堆積ステーション、および
検査ステーションを含む、マイクロエレクトロニックデバイス製造用クラスタツールが提供される。
この検査ステーションは、
１つの範囲内の光子エネルギーを有するエックス線光子を含むエックス線の多色性ビームで、半導体ウエハの表面領域を照射する放射源、
複数の散乱角で半導体ウエハから散乱されたエックス線を受光し、そこに入射したエックス線光子のそれぞれの光子エネルギーを表す出力信号を生成する検知素子のアレイ、および、
上記の堆積ステーションにより堆積された薄膜層の品質を評価するために、上記の範囲内の選択された光子エネルギーでウエハの散乱プロフィールを決定するよう、出力信号を処理するために結合された信号プロセッサからなる。

また、本発明の１つの実施の形態により、
半導体ウエハを受け取る製造チャンバ、
上記のチャンバ内の半導体ウエハの表面に薄膜層を堆積させる堆積装置、
それぞれ異なる第１および第２の光子エネルギーを有する少なくとも第１エックス線および第２エックス線を含むエックス線の多色性ビームでウエハの表面領域を照射する放射源、
複数の散乱角で半導体ウエハから散乱された第１および第２のエックス線を受光し、受光した放射に応答して信号を生成する検知素子のアレイ、および、
上記の堆積装置により堆積された薄膜層の品質を評価するために、検知素子からの信号を処理して、第１および第２の光子エネルギーで半導体ウエハの散乱プロフィールを決定する、信号プロセッサ、
からなる、マイクロエレクトロニックデバイス製造用装置が提供される。

さらに、本発明の１つの実施の形態により、
半導体ウエハを受け取る製造チャンバ、
上記のチャンバ内の半導体ウエハの表面に薄膜層を堆積させる堆積装置、
１つの範囲内の光子エネルギーを有するエックス線光子を含むエックス線の多色性ビームで、ウエハの表面領域を照射する放射源、
複数の散乱角でウエハから散乱されたエックス線を受光し、そこに入射したエックス線光子のそれぞれの光子エネルギーを表す出力信号を生成する検知素子のアレイ、および、
上記の堆積装置により堆積された薄膜層の品質を評価するために、上記の出力信号を処理して、上記の範囲内の選択された光子エネルギーでウエハの散乱プロフィールを決定する信号プロセッサ
からなるマイクロエレクトロニックデバイス製造用装置が提供される。

本発明は、添付の図面を用いた実施の形態の詳細な説明により、さらに完全に理解されるだろう。

図1は、本発明の実施の形態による小角散乱(ＳＡＸＲＳ)測定システム20の概略平面図である。システム20は、2003年2月12日に出願され、本特許出願の譲受人に譲渡され、ここでの参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願第１0/364,883号で説明されている、エックス線反射光測定(XRR)およびSAXRS測定の結合されたシステムと共通の、若干の特徴を有している。所望される場合は、そのシステムのＸＲＲ関連の特徴に基づいて、XRR能力をシステム20へ追加することも可能である。

システム20により評価される半導体ウエハ22などのサンプルは、モーションステージ38上に搭載されており、これにより、ウエハの位置および方向付けが正確に調整可能となる。エックス線源24、典型的には、適当な焦点合せ光学部品を備えるエックス線管(図示せず)が、ウエハ22上の小さな領域28を照射する。エックス線源は、当技術で知られている、従来のエックス線管に典型的であるように、エックス線の多色性ビームを放出する。例えば、銅の陽極を備えるエックス線管は、強い銅のKα線(8.05keV)上およびより弱い広帯域連続上で、同時にエックス線を放出する。その代り、その多色性ビームが、異なるエネルギーの少なくとも2本の強い輝線を含むように、エックス線源を構成してもよい。例えば、タングステン陽極を備えるエックス線管は、それぞれ8.4keVおよび9.7keVで、タングステンLαおよびLβ線上のエックス線を生成するのに使用できる。他の代替手段として、エックス線管は、２つの異なる材料を含む合成陽極を含むことで、双方の材料のスペクトル線上でエックス線を生成できる。例えば、クロム/タングステン陽極は、5.4keV(Cr)および8.4keV(W)でエックス線を生成するために使用できる。多色性ビームの生成には、適切な陽極タイプを備える、任意の適当なエックス線管を使用できる。例えば、オックスフォードインスツルメンツ（Oxford Instruments）社(スコッツバレー、カリフォルニア)製XTF5011エックス線管は、この目的のために使用できる。

線源24のエックス線焦点合わせ光学装置は、典型的には、エックス線管の出力を集中させて、収束ビーム26にする。この目的のために、この光学装置は、例えば、その開示がこの参照により本明細書に組み込まれる米国特許第6,381,303号明細書で説明されるような、マルチキャピラリーアレイを含んでいてもよい。その代り、例えば、オスミック（Osmic）社(トロイ、ミシガン)製の楕円鏡などの、焦点合せミラーを用いてもよい。スリット28が、水平方向にビームを制限するために用いられるのに対し、ナイフエッジおよび/またはシャッター(図示せず)は、入射ビーム26の角度範囲を、垂直方向(すなわち、ウエハ22の平面に対して垂直方向)に制限するために使用されてもよい。スリット、ナイフエッジ、およびシャッターは、典型的には、水平および垂直の各方向に対し、0.2°の拡散角度内へビーム26をコリメートするよう調整される。このようにしてコリメートされたビームは、典型的には、幅がおよそ1mmのスポット30で、ウエハの全外反射の臨界角より小さな入射角でウエハ22に入射する。エックス線ビームを制御する、スリット、ナイフエッジおよびシャッター、およびそれらの使用については、上記の米国特許出願第１0/364,883号に、さらに詳細に説明されている。その代り、当技術で知られているように、他のエックス線光学要素は、入射エックス線ビームをコリメートするために使用してもよく、ビームは、上に与えられた数字よりも、さらに大きな、あるいは小さな拡散角度および寸法を有していてもよい。

ウエハ22からのエックス線の散乱ビーム32は、以下にさらに説明されるように、ＣＣＤアレイなどの検知アレイ34に入射する。典型的には、SAXRSでは、アレイ34は、水平(方位角−θ)方向でおよそ4°の範囲にわたって散乱されたエックス線を収集する。(図示の明快さのために、図中に示された角度は極端に描かれている)。アレイ内の各検知素子は、異なるそれぞれの方位角範囲を有している。簡明さのために、比較的わずかな数の検知素子が含まれている、検知素子の１列のみが図示されているが、アレイ34は、一般に、線形アレイあるいはマトリクス(２次元)アレイのいずれかとして構成された、より多数の素子を含んでいる。アレイ34の設計および動作のさらなる詳細は、米国特許出願第１0/364,883号において説明されている。アレイの搭載およびハウジングの態様は、米国特許第6,512,814号明細書において説明されており、その開示は、この参照により本明細書に組み込まれる。

典型的な実施の形態では、アレイ34は、浜松市のハママツ（Hamamatsu）製モデルS7032-1008アレイなどのマトリクスアレイを含む。このアレイは、全体で25.4×6mmのサイズを有する1044×256画素を含んでいる。これは、アレイの各行内の複数の検知素子が、高アスペクト比を有する単一要素として有効に機能するよう、この目的のためにハママツ（Hamamatsu）により提供された、特別なハードウェアを用いるラインビニング（line-binning）モードで動作可能である。この場合、アレイ34は、物理的に二次元マトリクスの検知素子を含んでいるが、アレイは、機能的に、検知素子の単一ライン形式を取っている。

その代り、アレイ34は、その開示が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第6,389,102号明細書に説明されるように、統合処理エレクトロニクスをおそらく含む適当な読出回路を備えるＰＩＮダイオードアレイを含んでいてもよい。この特許はまた、様々な形状構成のアレイ(一次元および二次元の双方)、およびアレイの検出特性を高めるために適用可能なマスキングを含む、アレイの別の特徴を説明している。これらの特徴は、本特許出願のアレイ34にも適用可能である。少なくとも、これら様々なタイプの検知は、ここでは例として説明されているのであり、任意の適当なタイプ、サイズ、および数の検知であれ使用可能であることが分かる。

信号プロセッサ36は、アレイ34の出力を分析して、所与のエネルギーにおける、あるいは複数の異なるエネルギーにおける角度の関数として、ウエハ22から散乱されたエックス線光子のフラックスの分布40を決定する。この分析は、エネルギー分散検出を用いる、アレイ34の素子に入射する各エックス線光子のエネルギーの決定に基づいている。エックス線光子が検知素子のうちの１つに当たると、検知素子で生成される光電子数は、入射光子のエネルギーを表す。アレイの各要素で読出される帯電信号の振幅は、雑音および他の背景効果に影響する原因となった後、エックス線入射により生成される光電子数に比例する。

SAXRSなどの多くのエックス線散乱の応用では、システム20の入射ビーム26が比較的高いパワーであっても、ウエハ22から散乱されるエックス線光束は、なお非常に低い。したがって、アレイ34の各読出サイクルでは、典型的には、１つより多くないエックス線光子は、線源24から散乱していないエックス線光子の大きな光束を直接受ける、θ＝0°近くの検知素子以外の、任意の所与の検知素子上に入射する。各読み出しサイクルの間、アレイ34の各素子からの帯電信号出力の振幅を分析することにより、プロセッサ36は、サイクル間に、素子上に入射するエックス線光子数がゼロ、１、あるいは１より多いかを決定可能である。入射光子数が１であった場合は、プロセッサ36は、帯電信号振幅に基づきエックス線光子エネルギーを決定する。(光子の数が１より多い場合は、一般に、信号は無視される。)この手順は、多くの読出しサイクルにわたって繰り返され、プロセッサは、手順中に各検知素子に入射する各エネルギーの光子数をカウントする。

上記段落での「読出サイクル」に対する説明は、共通の読出・信号処理回路がアレイ34内の複数の検知素子に用いられることを意味している。この構成は、例えば、ＣＣＤアレイに特有である。アレイ34内の各検知器がそれ自身の読出回路を有するときは、たとえば、上記の米国特許第6,389,102号明細書で説明されるように、同様の光束制限が適用される。しかしながら、この後者の場合には、各入射光子エネルギーを決定するために、パルス処理技術を使用してもよい。また、パルス処理で用いられるゲインおよび時定数を調整することにより、各検知チャンネルの感度およびスループットを制御することも可能である。この文脈において使用できるエネルギー分散光子カウント技術は、上記の米国特許第6,389,102号明細書においてさらに説明されている。

典型的なSAXRSの応用では、ウエハ22は、スポット30で、１つ以上の薄膜などの薄い表面層を有している。方位角の関数としての散乱されたエックス線の分布は、ウエハ22の表面層内の孔などのミクロ構造を示している。プロセッサ36は、以下に説明された分析方法を用いて、角度分布の特性を分析して、層の厚さ、密度、表面品質、および孔サイズなどの、ウエハ表面層の１つ以上の特性を決定する。

図２は、本発明の実施の形態により、上で説明された方法でシステム20を使用して得られる、SAXRS測定結果の概略プロットである。結果は、運動量移動パラメータQの関数として、エックス線散乱測定技術において共通するものとして表示されている。(Q＝4IIsinθ/λ、これは、オングストロームの逆数を単位としており、ここでθは方位角、さらにλは本例では1.54Åのエックス線波長である。) 図２には、２つの測定値が示されている。低k上部誘電層の多孔性ウエハからのＱの関数として、上部の曲線40は散乱測定を示し、下部の曲線42は、ベアシリコンウエハからの散乱を示す。曲線40は、曲線42に従って正規化される。すなわち、双方の曲線の中央ピークが等しい高さとなるように、曲線全体の振幅が調整されている。低k層内の孔からの散乱の効果は、ほぼ0.02 Å^-1から0.12 Å^-1までの範囲の、曲線42に対する曲線40の高さで認識され得る。

図２に示された結果は、実際は、２つの異なる測定モードの合成である。中央範囲、θ＝0°付近(およそ−0.02＜Q＜0.02)では、アレイ34の各要素の総帯電振幅は、エネルギー識別を伴わずに測定される。散乱しない直接放射の強い影響のため、この範囲における散乱のエネルギー分散測定は実行不可能である。したがって、中央範囲の信号は、適用される適切な正規化ファクターを決定する目的で使用されるにすぎない。｜Q｜＞0.02である周辺範囲では、データポイントは、この場合、λ＝1.54Åである、重要な特定エネルギーでの光子カウントを表している。曲線40の生成では、(例えば、線源24による連続放出に起因し、あるいは他のエックス線ラインでの放出に起因する)他のエネルギーでの光子カウントは無視される。重要な特定エネルギーでの周辺範囲における光子カウントは、中央範囲で決定された正規化ファクターにより正規化される。

図３は、図２の測定により提供される、ネットSAXRS信号を示す概略プロットである。データ点44は、θの各値で、曲線40と42との間で測定された相違に対応している。曲線46は、データ点44に対するパラメトリックフィットを示している。フィットのパラメータは、孔の密度C、孔の平均サイズR₀、および平均付近の孔サイズ分布幅σを含んでいる。フィッティング曲線46のための典型的方法は、上記の米国特許出願第１0/364,883号で説明されている。信号減算および曲線フィッティングのこの方法は、単一光子エネルギーで、あるいは2つ以上の異なる光子エネルギーで、プロセッサ36により決定される角度の関数として、散乱振幅に適用できる。

図４は、本発明の実施の形態による、上で説明されたように、１個の光子エネルギーで決定されたパラメトリック散乱曲線46と、異なる光子エネルギーで決定された他のパラメトリック散乱曲線48とを示す概略プロットである。曲線46、48がフィットする散乱結果は、上で説明されるように、双方の光子エネルギーで同時に決定される。双方の曲線46、48は、ウエハ22上の同一表面層からの散乱を表すので、フィットパラメータC、R₀、およびσ―は、典型的には、双方の曲線で同一となるべきである。この事実は、双方の曲線46、48に同時にフィットするよう使用でき、その結果、フィットパラメータが決定される精度が向上される。

上に述べたように、システム20は、特に、マイクロエレクトロニックデバイス製造プロセスにおいて、半導体ウエハ上に形成される薄膜層の検査に役立つ。この目的のために、システム20は、半導体製作施設内のスタンドアロン、オフ‐ライン検査ステーションとして配備されてもよい。その代り、上で説明された原則に基づく検査システムは、イン‐ライン測定およびモニタのための半導体製作設備と統合されてもよい。この種のイン‐ラインシステムの２つの例が、以下に説明されている。本発明の原則に従って検査能力を統合する、別の設備構成は、本特許明細書を読めば、当業者にとっては明白であり、それは、本発明の範囲内であると考えられる。

図5は、本発明の１つの実施の形態に従う、半導体デバイス製造に用いるクラスタツール50の概略平面図である。クラスタツールは、ウエハ22上に薄膜を堆積される堆積ステーション52のみならず、検査ステーション54、および浄化ステーションなどの当技術で知られている他のステーション56を含む複数のステーションを含んでいる。検査ステーション54は、以下に説明されるように、システム20と類似した方法で、構成され、および、動作する。ロボット58は、システムコントローラ60の制御下で、各ステーション52、54、56、．．．、の間でウエハを転送する。ツール50の動作は、コントローラ60に結合されるワークステーション62を用いるオペレータにより、制御され、およびモニタされてもよい。

検査ステーションは、堆積ステーション52およびツール50内の他のステーションにより実行される、製造プロセス処理内の選択されたステップの前後に、ウエハのエックス線検査を実行するために用いられる。検査は、SAXRSのみならず、XRRをも含んでいてもよい。典型的な実施の形態では、堆積ステーション52は、ウエハ上に、多孔性低k誘電層などの多孔性薄膜を形成するために用いられ、検査ステーション54は、上述のように、SAXRS評価を実行する。この構成により、コントローラ60、および場合に応じてワークステーション62を使用して、ウエハ製造における処理逸脱の早期発見、便利な調整、および処理パラメータの評価が可能となる。

図６は、本発明の他の実施の形態に従う、半導体ウエハの製造、および「その場での（in situ）」検査のためのシステム70の概略側面図である。システム70は、当技術で知られているように、ウエハ22上に薄膜を形成する、堆積装置74を含む真空チャンバ72を含んでいる。ウエハは、チャンバ72内のモーションステージ38上に搭載される。チャンバは、典型的には、エックス線窓76を含む。エックス線源24は、上で説明された方法で、１つの窓76を通して、ウエハ上のスポット30を照射する。図１に示されたスリットは、簡明さのために図6からは省略されているが、典型的には、この種の要素は、線源24内あるいはチャンバ72内に統合されている。

スポット30から散乱されたエックス線は、他の１つの窓76を通してアレイ34により受光される。プロセッサ36は、検知アレイ34からの信号を受信し、この信号を、チャンバ72内での製造における薄膜層の特性を評価するために処理する。この評価の結果は、堆積装置74を制御する際に、システム70により製造された膜が、厚さ、密度、および有孔性など、所望の特性を有するよう使用できる。

上に説明された実施の形態は、主に半導体ウエハ上の低k誘電層の多孔性特性の測定を扱うが、本発明の原理は、様々なタイプのサンプル上の他のエックス線散乱の応用にのみならず、エックス線に限らず、他の電離放射線帯域を用いる、他のタイプの放射線ベースの分析においても同様に使用可能である。さらに、多色性エックス線源、およびエネルギー散乱信号処理を伴う検知アレイは、同様にＸＲＲ、特に反射が比較的弱い、高い高度角のＸＲＲ測定のために使用してもよい。(上述の米国特許出願第１0/364,883号で説明されているような) アレイを回転させる適当な手段、およびエネルギー散乱処理を伴う単一の検知アレイは、この方法で、単一システム内のXRRおよびSAXRSの双方を測定するために使用可能である。

したがって、上で説明された実施の形態は、例として引用されており、さらに、本発明が、上で特に示され、説明されたものに限定されないことは、理解されるであろう。むしろ、本発明の範囲は、上に述べられた様々な特徴の組合せおよび副次的組合せのみならず、以上の記述を読むとき、当業者であるならば思い浮かぶであろう、従来技術では開示されていない、様々な変形形態および変更形態の双方を含む。

本発明の実施の形態に従う、エックス線散乱測定システムの概略平面図である。 本発明の実施の形態に従う、ベアシリコンウエハ用の、および多孔性誘電層に覆われたウエハ用の、方位角の関数として測定されるエックス線散乱の概略プロット図である。 本発明の実施の形態に従う、図2の散乱測定間の差、およびパラメトリック曲線に対する差のフィットを示す概略プロット図である。 本発明の実施の形態に従う、結果的に2つの異なるエネルギーで、エックス線散乱測定とフィットする、パラメトリック曲線を示す概略プロット図である。 本発明の実施の形態に従う、検査ステーションを含む半導体装置製造用装置の概略平面図である。 本発明の実施の形態に従う、エックス線検査能力を有する半導体処理チャンバの概略側面図である。

Claims (46)

1. １つの範囲内の光子エネルギーを有するエックス線光子を含む、エックス線の多色性ビームでサンプルを照射し、
   入射するエックス線光子のそれぞれの光子エネルギーを表わす出力信号を生成する１以上のセンサを用いて、複数の散乱角でサンプルから散乱されたエックス線を受光し、
   光子エネルギーに基づいて出力信号を分析して、上記の光子エネルギーの範囲内で、選択された光子エネルギーでサンプル表面の平面における方位角の関数としてサンプルの散乱プロフィールを決定する、
   サンプル検査方法。
2. 上記のサンプルの照射は上記のエックス線ビームをコリメートすることを含む、請求項1によるサンプル検査方法。
3. 上記の出力信号の分析は、上記の範囲内の選択された第１および第２の光子エネルギーで、上記の散乱プロフィールを決定することを含む、請求項1によるサンプル検査方法。
4. 上記のサンプルの照射は、陽極材料からなる陽極を有するエックス線管を用いて上記の多色性のビームを生成することを含み、上記の第１の光子エネルギーが上記の陽極材料の第１の原子輝線に対応し、上記の第２の光子エネルギーが上記の陽極材料の第２の原子輝線に対応している、請求項3によるサンプル検査方法。
5. 上記の陽極材料は、第１の原子輝線を生成する第１の元素と、第２の原子輝線を生成する第２の元素を含んでいる、請求項4によるサンプル検査方法。
6. 上記のエックス線の受光は、それぞれ上記の複数の散乱角のうちの１つで散乱されたエックス線を受光するように配置された複数の検知素子のアレイを用いて、散乱されたエックス線を受光することを含む、請求項1によるサンプル検査方法。
7. 上記の出力信号の分析は、選択された光子エネルギーで、検知素子上へ入射するエックス線光子をカウントすることを含む、請求項6によるサンプル検査方法。
8. 上記のエックス線光子のカウントは、上記の複数の検知素子に共通する読出し回路を用いて、検知素子の上に入射する散乱されたエックス線により各検知素子上に生成される電荷を読出すこと含む、請求項7によるサンプル検査方法。
9. 上記のエックス線光子のカウントは、検知素子の上に入射する散乱されたエックス線により各検知素子により生成されるパルスを処理することを含む、請求項7によるサンプル検査方法。
10. さらに、上記の検知素子のアレイを用いて、複数の仰角にわたりサンプルから反射されるエックス線を受光し、
    上記の選択された光子エネルギーでのサンプルの反射測定プロフィールを決定するように、光子エネルギーに基づいて出力信号を解析する、請求項6によるサンプル検査方法。
11. 上記の出力信号の分析は、サンプル基板上にある多孔性表面層による散乱プロフィールを決定すること、および、この散乱プロフィールに基づいて、多孔性表面層内に位置する孔の１つ以上の特性を推定することを含む、請求項１によるサンプル検査方法。
12. 上記のサンプルが半導体ウエハからなり、上記の出力信号の分析は、ウエハ上の薄膜層による散乱プロフィールを決定することを含む、請求項１によるサンプル検査方法。
13. 第１の光子エネルギーを有する第１エックス線および第１の光子エネルギーと異なる第２の光子エネルギーを有する第２エックス線を少なくとも含むエックス線の多色性ビームでサンプルを照射し、
    複数の散乱角で、サンプルから散乱された第１および第２のエックス線を検出し、
    検出されたエックス線を分析して、第１および第２の光子エネルギーでサンプル表面の平面における方位角の関数としてサンプルの散乱プロフィールを決定する、
    サンプル検査方法。
14. 上記のサンプルの照射は、エックス線ビームをコリメートすることを含む、請求項13によるサンプル検査方法。
15. 上記のサンプルの照射は、陽極材料からなる陽極を有する備えたエックス線管を用いてビームを生成することを含み、上記の第１の光子エネルギーが上記の陽極材料の第１の原子輝線に対応し、上記の第２の光子エネルギーが上記の陽極材料の第２の原子輝線に対応している、請求項13によるサンプル検査方法。
16. 上記の陽極材料は、第１の原子輝線を生成する第１の元素と、第２の原子輝線を生成する第２の元素を含む、請求項15によるサンプル検査方法。
17. 上記の第１および第２のエックス線の検出は、それぞれ複数の散乱角のうちの１つで散乱されたエックス線を受光するよう構成された複数の検知素子のアレイを用いて、散乱されたエックス線を受光することを含む、請求項13によるサンプル検査方法。
18. 上記の散乱されたエックス線の受光は、上記のエックス線のうちの１つが入射する各検知素子で、上記のエックス線のうちの１つの光子エネルギーを表す電荷信号を生成することを含み、さらに、上記の検出されたエックス線の分析は、電荷信号の振幅に対応する入射エックス線の光子エネルギーを決定することを含む、請求項17によるサンプル検査方法。
19. 上記の検出されたエックス線の分析は、検知素子上に、第１および第２の光子エネルギーの各々で入射するエックス線光子をカウントして、各光子エネルギーでの散乱プロフィールを決定することを含む、請求項18によるサンプル検査方法。
20. 上記の検出されたエックス線の分析は、サンプル基板上にある多孔性表面層による散乱プロフィールを決定すること、および、この散乱プロフィールに基づいて、多孔性表面層内に位置する孔の１つ以上の特性を推定することを含む、請求項13によるサンプル検査方法。
21. 上記の１つ以上の特性の推定は、第１エネルギーおよび第２エネルギーの双方での散乱プロフィールにフィットするように上記の１つ以上の特性を決定することを含む、請求項20によるサンプル検査方法。
22. 上記のサンプルが半導体ウエハからなり、さらに、上記の検出されたエックス線の分析は、ウエハ上の薄膜層による散乱プロフィールを決定することを含む、請求項13によるサンプル検査方法。
23. 第１の光子エネルギーを有する第１のエックス線および第１の光子エネルギーと異なる第２の光子エネルギーを有する第２のエックス線を少なくとも含む、エックス線の多色性ビームでサンプルの表面領域を照射する放射源、
    複数の散乱角でサンプルから散乱された上記の第１および第２のエックス線を受光して、受光したエックス線を、サンプル表面に平行なアレイ軸に沿って分解し、上記の受光した放射に対応する信号を生成するように配列される複数の検知素子のアレイ、および、
    上記の検知素子からの信号を処理して、上記の第１および第２の光子エネルギーでサンプル表面の１つの平面における方位角の関数としてサンプルの散乱プロフィールを決定する信号プロセッサ
    からなる、サンプル検査装置。
24. 上記の放射源は、エックス線ビームをコリメートするコリメータを含む、請求項23によるサンプル検査装置。
25. 上記の放射源は、陽極材料を含む陽極を有するエックス線管を含み、上記の第１の光子エネルギーが上記の陽極材料の第１の原子輝線に対応し、上記の第２の光子エネルギーが上記の陽極材料の第２の原子輝線に対応している、請求項23によるサンプル検査装置。
26. 上記の陽極材料は、第１の原子輝線を生成する第１の元素と、第２の原子輝線を生成する第２の元素を含んでいる、請求項25によるサンプル検査装置。
27. 上記の検知素子の各々は、上記の複数のエックス線のうちの１つがそれに入射した場合に、そのエックス線のうちの１つの光子エネルギーを表す荷電信号を生成し、さらに、上記の信号プロセッサが、荷電信号の振幅に対応する上記の入射エックス線の光子エネルギーを決定する、請求項23によるサンプル検査装置。
28. 上記の信号プロセッサは、検知素子上に第１および第２の光子エネルギーの各々で入射するエックス線光子をカウントして、各光子エネルギーでの散乱プロフィールを決定する、請求項27によるサンプル検査装置。
29. 上記の信号プロセッサは、サンプル基板上にある多孔性表面層による散乱プロフィールを決定し、さらに、散乱プロフィールに基づいて、多孔性表面層内に位置する孔の１つ以上の特性を推定する、請求項28によるサンプル検査装置。
30. 上記の信号プロセッサは、第１エネルギーおよび第２エネルギーの双方での散乱プロフィールにフィットするように１つ以上の特性を推定する、請求項29によるサンプル検査装置。
31. 上記のサンプルは、半導体ウエハからなり、上記の信号プロセッサは、ウエハ上の薄膜層に起因する散乱プロフィールを決定する、請求項23によるサンプル検査装置。
32. １つの範囲内の光子エネルギーを有するエックス線光子を含む、エックス線の多色性ビームでサンプルの表面領域を照射する放射源、
    複数の散乱角でサンプルから散乱された上記のエックス線を受光し、受光したエックス線を、サンプル表面に平行なアレイ軸に沿って分解するように配列され、入射したエックス線光子のそれぞれの光子エネルギーを表す出力信号を生成する複数の検知素子のアレイ、および、
    上記の出力信号を処理して、上記の光子エネルギーの範囲内の選択された光子エネルギーでサンプル表面の平面における方位角の関数としてサンプルの散乱プロフィールを決定する信号プロセッサ
    からなる、サンプル検査装置。
33. 上記の放射源は、エックス線ビームをコリメートするコリメータを含む、請求項32によるサンプル検査装置。
34. 上記の信号プロセッサは、上記の範囲内の選択された第１および第２の光子エネルギーでサンプルの散乱プロフィールを決定する、請求項32によるサンプル検査装置。
35. 上記の放射源は、陽極材料を含む陽極を有するエックス線管を含み、上記の第１の光子エネルギーが上記の陽極材料の第１の原子輝線に対応し、上記の第２の光子エネルギーが上記の陽極材料の第２の原子輝線に対応している、請求項34によるサンプル検査装置。
36. 上記の陽極材料は、第１の原子輝線を生成する第１の元素と、第２の原子輝線を生成する第２の元素を含んでいる、請求項35によるサンプル検査装置。
37. 上記の信号プロセッサは、上記の検知素子上に、選択された光子エネルギーで入射するエックス線光子をカウントする、請求項32によるサンプル検査装置。
38. 上記の検知素子のアレイが、複数の検知素子に共通する読出し回路を含んでおり、上記の読出し回路は、入射する散乱されたエックス線に起因して、各検知素子において生成される電荷を読出し、さらに、上記の信号プロセッサが、上記の読出し回路により読み取られる電荷を処理して、選択された光子エネルギーでエックス線光子をカウントする、請求項37によるサンプル検査装置。
39. 上記の検知素子は、入射する散乱されたエックス線に対応してパルスを生成し、上記の信号プロセッサは、上記のパルスを処理して、選択された光子エネルギーでエックス線光子をカウントする、請求項37によるサンプル検査装置。
40. 上記の検知素子のアレイは、受光したエックス線を、サンプルの表面に平行なアレイ軸に沿って分解するように整列されており、さらに、上記の信号プロセッサが、上記の出力信号に対応して、上記の表面の平面内の方位角の関数として、散乱プロフィールを決定する、請求項32によるサンプル検査装置。
41. 上記の信号プロセッサは、サンプル基板上にある多孔性表面層による散乱プロフィールを決定し、さらに、この散乱プロフィールに基づいて、多孔性表面層内に位置する孔の１つ以上の特性を推定する、請求項40によるサンプル検査装置。
42. 上記のサンプルは半導体ウエハを含み、さらに、上記の信号プロセッサは、上記のウエハ上の薄膜層による散乱プロフィールを決定する、請求項32によるサンプル検査方法。
43. 薄膜層を、半導体ウエハ表面に堆積させるよう適合した堆積ステーション、および、検査ステーションからなり、
    上記の検査ステーションは、
    第１の光子エネルギーを有する第１エックス線および第１の光子エネルギーと異なる第２の光子エネルギーを有する第２エックス線を少なくとも含むエックス線の多色性ビームでウエハの表面領域を照射する放射源、
    複数の散乱角で上記の半導体ウエハから散乱された第１および第２のエックス線を受光し、受光した上記の放射に対応して信号を生成する複数の検知素子のアレイ、および
    上記の堆積ステーションにより堆積された薄膜層の品質を評価するために、検知素子からの信号を処理して、第１および第２の光子エネルギーでサンプル表面の平面における方位角の関数としてウエハの散乱プロフィールを決定する信号プロセッサ、
    からなるマイクロエレクトロニックデバイス製造用クラスタツール。
44. 薄膜層を、半導体ウエハ表面に堆積させるよう適合した堆積ステーション、および、検査ステーションからなり、
    上記の検査ステーションは、
    １つの範囲内の光子エネルギーを有するエックス線光子を含むエックス線の多色性ビームで、半導体ウエハの表面領域を照射する放射源、
    複数の散乱角で半導体ウエハから散乱されたエックス線を受光し、受光したエックス線光子のそれぞれの光子エネルギーを表す出力信号を生成する複数の検知素子のアレイ、および、
    上記の堆積ステーションにより堆積された薄膜層の品質を評価するために、上記の光子エネルギーの範囲内の選択された光子エネルギーでサンプル表面の平面における方位角の関数としてウエハの散乱プロフィールを決定するよう、出力信号を処理するために結合された信号プロセッサ
    からなるマイクロエレクトロニックデバイス製造用クラスタツール。
45. 半導体ウエハを受け取る製造チャンバ、
    上記のチャンバ内の半導体ウエハの表面に薄膜層を堆積させる堆積装置、
    第１の光子エネルギーを有する第１のエックス線および第１の光子エネルギーと異なる第２の光子エネルギーを有する第２のエックス線を少なくとも含むエックス線の多色性ビームでウエハの表面領域を照射する放射源、
    複数の散乱角で半導体ウエハから散乱された第１および第２のエックス線を受光し、受光した上記の放射に対応する信号を生成する複数の検知素子のアレイ、および
    上記の堆積装置により堆積された薄膜層の品質を評価するために、検知素子からの信号を処理して、第１および第２の光子エネルギーでサンプル表面の平面における方位角の関数として半導体ウエハの散乱プロフィールを決定する、信号プロセッサ、
    からなる、マイクロエレクトロニックデバイス製造用装置。
46. 半導体ウエハを受け取る製造チャンバ、
    上記のチャンバ内の半導体ウエハの表面に薄膜層を堆積させる堆積装置、
    １つの範囲内の光子エネルギーを有するエックス線光子を含むエックス線の多色性ビームで、ウエハの表面領域を照射する放射源、
    複数の散乱角でウエハから散乱されたエックス線を受光し、入射した上記のエックス線光子のそれぞれの光子エネルギーを表す出力信号を生成する複数の検知素子のアレイ、および、
    上記の堆積装置により堆積された薄膜層の品質を評価するために、上記の出力信号を処理して、上記の光子エネルギーの範囲内の選択された光子エネルギーでサンプル表面の平面における方位角の関数としてウエハの散乱プロフィールを決定する信号プロセッサ
    からなるマイクロエレクトロニックデバイス製造用装置。

Images