JP7250705B2 - Ｘ線スキャトロメトリでの深層構造のプロセスモニタリング - Google Patents

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Description

記載される実施形態は計測システムおよび方法に関し、より詳細には、作製処理ステップを経る半導体構造の改良された測定のための方法およびシステムに関する。
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条に基づいて、２０１７年３月３０日に出願された「Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｄｅｅｐ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｘ－ｒａｙ Ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ」と題する米国仮特許出願第６２／５１２,２９７号、および２０１７年１０月１６日に出願された「Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｄｅｅｐ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｘ－ｒａｙ Ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ」と題する米国仮特許出願第６２／５７２,５６６号の優先権を主張し、それぞれの仮特許出願の主題を参照により全体を本明細書に援用する。
ロジックおよびメモリデバイスなどの半導体デバイスは、典型的には、試料に施す一連の処理ステップによって作製される。半導体デバイスの種々の特性と複数の構造的レベルはこれらの処理ステップによって形成される。例えば、とりわけリソグラフィは、半導体ウェハ上にパターンを生成することを包含する１つの半導体作製プロセスである。半導体作製プロセスの付加的な例は、化学機械研磨（ＣＭＰ）、エッチング、堆積およびイオン注入を含むが、これらに限定されない。複数の半導体デバイスが単一の半導体ウェハ上に作製され、次に、個々の半導体デバイスに分離されてよい。
計測プロセスは、ウェハ上の欠陥を検出してより高い収率を促進するために、半導体製造プロセスにおける様々なステップで使用されている。スキャトロメトリおよびリフレクトメトリ実装を含むいくつかの計測に基づく技法および関連する解析アルゴリズムが、ナノスケ－ル構造のクリティカルディメンション、膜厚、組成および他のパラメータを特性評価するために一般に用いられている。Ｘ線スキャトロメトリ技法は、サンプルを破壊する危険を冒さずに高スループットの可能性を提供する。
伝統的に、光学スキャトロメトリクリティカルディメンション（ＳＣＲ）測定は、薄膜および／または反復性周期構造からなるターゲット上に実行されている。デバイス作製中に、これらの膜および周期構造は典型的に、実際のデバイスジオメトリおよび材料構造または中間設計を表す。デバイス（例えば、ロジックおよびメモリデバイス）がより微小なナノスケール寸法へと移行するにつれ、特性評価はより困難になる。複雑な三次元ジオメトリや多様な物理特性の材料を組み込んだデバイスは特性評価を困難にする。例えば、昨今のメモリ構造は、高アスペクト比三次元構造であることが多く、そのために、光学輻射が下層に浸透しづらくなっている。赤外～可視光を用いた光学計測ツールは、半透明材料の多くの層に浸透するが、十分な浸透深度を提供するより長い波長は、小さな異常に対する感度が十分でなくなる。さらに、複雑な構造（例えばＦｉｎＦＥＴ）を特性評価するために必要とされるパラメータの個数の増加は、パラメータ相関の増大につながる。その結果、ターゲットを特徴付けるパラメータは、入手可能な測定結果から確実に分離されないことが多くなる。
一例としては、スタック内交互配置材料のうち１つとしてポリシリコンを利用する３Ｄ－ＦＬＡＳＨデバイスに関する浸透の問題を克服することを試みて、より長い波長（例えば、近赤外）が用いられてきた。しかしながら、３Ｄ－ＦＬＡＳＨの鏡状構造は本質的に、照明が膜スタックにより深く伝播するにつれ光強度の低下を引き起こす。このことは、深さについて感度の減少と相関の問題を引き起こす。このシナリオにおいて、光学ＳＣＤが成し得るのは、少数のセットの計測寸法を高感度および低相関で成功裡に抽出することだけである。
別例として、不透明で高ｋ材料が昨今の半導体構造においてますます採用されつつある。光学的輻射は、これらの材料で構築された層には多くの場合浸透できない。その結果、エリプソメータまたはリフレクトメータなどの薄膜スキャトロメトリツールでの測定が一層困難化している。
これらの課題に応じて、より複雑な光学計測ツールが開発されている。例えば、多照明角、より短い照明波長、より広範囲の照明波長、および反射信号からのより完全な情報取得（例えば、より従来型の反射率またはエリプソメータ信号に加えて複数のミュラー行列要素を測定する）を備えたツールが開発されている。しかしながら、これらの手法は多くの先進的なターゲット（例えば、複雑な３Ｄ構造、１０ｎｍ未満の構造、不透明材料を用いた構造）の測定および測定アプリケーション（例えば、ラインエッジ粗さおよびライン幅粗さ測定）に関連する基本的な課題を確実に克服するに至っていない。
光学的方法は、プロセスステップ間のプロセス変量の非破壊的なトラッキングを提供し得るものの、光学的方法が独自には区別できないプロセスドリフトに際しては、精度を維持するために破壊的方法による通常の較正が必要となる。
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）および走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）は、原子分解能を達成できるが、それらは試料の表面を探査できるのみである。加えて、ＡＦＭおよびＳＴＭ顕微鏡はより長い走査時間を要する。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は中程度の分解レベルを達成するが、構造内に十分な深さまで浸透できない。したがって、高アスペクト比の孔を良好に特性評価できない。その上、必要な試料の帯電はイメージング性能に悪影響を及ぼす。Ｘ線リフレクトメータも浸透問題に悩まされており、そのため高アスペクト比構造を測定する場合の有効性に限りがある。
浸透深度の問題を克服するために、ＴＥＭ、ＳＥＭ等の伝統的イメージング技法では、集束イオンビーム（ＦＩＢ）マシニング、イオンミリング、ブランケットまたは選択的エッチング等の破壊的サンプル作製技法が併用されている。例えば、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）は、高分解能レベルを達成し、随意の深度を探査できるが、ＴＥＭは試料の破壊的分割を余儀なくされる。材料除去と測定を数回繰り返すことで三次元構造にわたり一般に、クリティカル計測パラメータを測定するために必要な情報を提供する。しかし、これらの技法はサンプルの破壊と長いプロセス時間が必須となる。これらのタイプの測定を完了するための複雑さと時間は、測定対象ウェハ上でプロセスが完了した大分後に測定結果が入手できるため、エッチングと計測ステップのドリフトにより多大な不正確さをもたらす。したがって、測定結果はさらなる処理および遅延したフィードバックからのバイアスを蒙る。加えて、これらの技法では多数回の反復が必要となり、それが位置合わせエラーをもたらす。要約すると、ＳＥＭおよびＴＥＭ技法に必要な長く破壊的なサンプル作製によってデバイス収率に悪影響が出る。
半導体デバイス製造において、エッチングプロセスと堆積プロセスは、半導体ウェハ上にデバイスパターンプロファイルおよびレイアウトを規定するための重要なステップである。したがって、測定された構造の忠実度と、ウェハにわたるそれらの均一性を確実にするために、膜とパターン構造を測定することが重要である。さらに、ウェハにわたり、要求されるパターンまたは膜均一性を維持するために、進行中のプロセスを制御して、設定を調整するために、測定結果を迅速に提供することが重要である。
殆どの例において、半導体製造プロセスの精密なモニタリングは１つ以上のスタンドアローン（ＳＡ）計測システムによって実行される。ＳＡ計測システムは通常、最高測定性能を提供する。しかしながら、ウェハは測定のためにプロセスツールから除去されなければならない。真空で行われるプロセスに関しては、これは著しい遅れを引き起こす。結果として、ＳＡ計測システムは、プロセスツールに、特に、真空を包含するツールに、迅速に測定フィードバックを提供できない。別の例では、統合型計測システムまたはセンサは、プロセスステップが完了した後でウェハを測定するためにプロセス装置に取り付けられていることが多いが、プロセスツールからウェハを取り外すことはない。別の例では、プロセスツールの処理チャンバ内部でイン・サイチュ（ＩＳ）計測システムまたはセンサが用いられる。さらに、ＩＳ計測システムはプロセス中（例えば、エッチングプロセス、堆積プロセス等）にウェハをモニタして、測定対象の作製ステップを実行するプロセスツールにフィードバックを提供する。
一例としては、反応性イオンエッチングプロセスの対象となる構造がイン・サイチュでモニタされる。一部の作製ステップでは、エッチングプロセスは、露出層を完全にエッチングし、次に、下部層の実質的なエッチングが起こる前に停止することが必要である。典型的に、これらのプロセスステップは、チャンバ内に存在するプラズマのスペクトルシグネチャを、発光分光分析技法を用いてモニタすることによって制御される。露出層がエッチングを終えて、エッチングプロセスが下部層に反応し始めると、プラズマのスペクトルシグネチャにおける歴然とした変化が発生する。スペクトルシグネチャの変化は発光分光分析技法によって測定され、エッチングプロセスは、スペクトルシグネチャの測定された変化に基づいて停止される。
別の作製ステップでは、エッチングプロセスは、露出層を指定エッチング深さまで部分的に貫通してエッチングし、露出層を完全に貫通してエッチングする前に停止する必要がある。このタイプのエッチングプロセスは一般に「ブラインドエッチング」と呼ばれる。現在、部分エッチングされた層を介したエッチング深さの測定は、近直角入射分光反射率計測に基づいている。
現行のイン・サイチュセンサは、膜厚の大規模な変化をモニタすることができるのみであり、深３Ｄ構造の処理から生じる複雑なプロファイルにはうまく相関しない。
一般に、光学、音響および電子ビームツールの組み合わせを用いたプロセスモニタリングの多くの方法がある。これらの技法はデバイスを直接測定するか、特別に設計されたターゲット、または特別なモニタウェハを測定する。しかしながら、高アスペクト比構造の関心パラメータを、コスト効率よく適時に測定ができないことは、特に、ウェハのメモリセクタにおいて低収率をもたらす。
米国特許第６８７９０５１号
要約すると、多くの半導体構造の、進行中のフィーチャサイズの縮小と深度の増加は、スタンドアローンシステムおよび、イオン注入およびエッチングツールなどのプロセスツールに組み込まれたシステムを含む計測システムに困難な要求を課している。したがって、高アスペクト比構造を測定して高デバイス収率を維持するために、改良された計測システムおよび方法が求められる。
高アスペクト比半導体構造のＸ線スキャトロメトリ測定に基づいた、プロセスパラメータ、構造的パラメータ、またはそれら両パラメータの値を推定する為の方法およびシステムが本明細書で提示される。Ｘ線スキャトロメトリ測定は、作製プロセスフローの１つ以上のステップで実行される。例示的プロセスステップは、エッチング、堆積およびリソグラフィープロセスを含む。測定は、進行中の半導体作製プロセスフローの収率改善を可能にするために迅速且つ十分な精度で実行される。一部の例では、進行中の作製プロセスを制御するために、測定は、ウェハが処理されている間に実行される。
一態様では、小角スキャトロメトリ（ＳＡＸＳ）計測システムがウェハ処理ツールに一体化されており、関心パラメータの測定値が、ウェハ処理ツールを制御するためのフィードバックとして提供される。一部の実施形態では、透過ＳＡＸＳ測定システムが用いられる。別の実施形態では、反射型ＳＡＸＳ測定システムが用いられる。
一部の実施形態では、ＳＡＸＳ計測システムは、エッチング、堆積またはリソグラフィーツールなどのウェハ処理ツールに一体化されている。別の実施形態では、ＳＡＸＳ計測システムはスタンドアローンツールとして構築されている。
さらなる態様では、ＳＡＸＳシステムは、１つ以上の関心パラメータの値（例えば、プロセスパラメータ値、構造的パラメータ値、またはそれら両方）を、測定モデルを用いて処理対象ウェハのスキャトロメトリ測定に基づいて推定する。
別のさらなる態様では、関心パラメータの測定値に基づいてプロセス補正が決定され、補正はプロセスツールに通信されて、プロセスツールの１つ以上のプロセス制御パラメータを変更する。一部の実施形態では、測定構造に処理が実行されている間にＳＡＸＳ測定が実行され、プロセス制御パラメータが更新される。一部の実施形態では、ＳＡＸＳ測定は特定のプロセスステップ後に実行され、そのプロセスステップに関連するプロセス制御パラメータは、そのプロセスステップによる将来のデバイスの処理のために更新される。一部の実施形態では、ＳＡＸＳ測定は特定のプロセスステップ後に実行され、後続プロセスステップに関連するプロセス制御パラメータが、後続プロセスステップによる測定デバイスまたは他のデバイスの処理のために更新される。
作製対象の特定の高アスペクト比構造の測定周波数は、モニタされるプロセスパラメータの安定性に依存する。さらに、所要測定時間の長さは、モニタされるプロセス変量の変化に対する散乱感度に依存する。散乱信号をイン・サイチュで測定することは、プロセス条件を最速で測定するが、最高度の不確定性で測定することになる。一方、より長い測定時間は、測定パラメータのより高い精度と確定性を提供する。一般に、総散乱量に影響するプロセスパラメータ（例えば、エッチング時間）は最速でモニタされ得る一方、他のパラメータ（例えば、エッチングプロファイルのわずかな偏差）は、意義ある結果を達成するためには移動平均またはより長い測定時間を要求する。したがって、これらのパラメータは、より遅いベースでのみ制御され得る。
上記は概要であり、したがって必然的に簡略化、一般化および詳細の省略を含むものであり、結果として、当業者ならば、この概要は単に例示に過ぎず、如何なる意味でも限定するものではないということを理解するであろう。本明細書に記載のデバイスおよび／またはプロセスの他の態様、発明的特徴および利点は、本明細書に記載の非限定的な詳細な説明で明らかとなる。
処理対象ウェハ上に配置された半導体構造のＸ線スキャトロメトリ測定に基づくエッチングプロセスのモニタリングのための例示的ウェハ処理システム１００の図である。 入射角θおよび方位角φで記述される特定の配向でウェハに入射するＸ線照明ビームを示す図である。 一実施形態での、エッチングプロセス中の２孔フィーチャを含む半導体構造を示す図である。 別の実施形態での、堆積プロセス中の２孔フィーチャを含む半導体構造を示す図である。 それぞれ２孔フィーチャを含む２層を含む半導体構造を示す図である。 エッチングされた孔のサイズの変化を示す散乱像を描写した図である。 エッチングされた孔の深さの変化を示す散乱像を描写した図である。 入射角θの関数としてのゼロ次数ビームＳ００の散乱効率を描写するプロット図である。 入射角θの関数としてのいくつかの高次散乱効率を描写する図である。 高アスペクト比孔構造のアレイの上面図である。 理想的な高アスペクト比孔構造の側面を示す図である。 傾いた孔構造の側面を示す図である。 漸次傾く孔構造の側面を示す図である。 本明細書に記載の測定の対象となる典型的３Ｄ－ＦＬＡＳＨメモリデバイスの等角図である。 本明細書に記載の測定の対象となる典型的３Ｄ－ＦＬＡＳＨメモリデバイスの上面図である。 本明細書に記載の測定の対象となる典型的３Ｄ－ＦＬＡＳＨメモリデバイスの断面図である。 処理対象ウェハ上に配置された半導体構造の反射型Ｘ線スキャトロメトリ測定に基づくエッチングプロセスをモニタするための例示的ウェハ処理システム２００の図である。 例示的モデル構築および分析エンジン１８０を示す図である。 小角Ｘ線スキャトロメトリ測定に基づいて高アスペクト比構造の半導体作製プロセスを制御するための方法３００のフローチャートである。
以下、その例が添付の図面に示されている、本発明の背景となる例と一部の実施形態について詳細に言及する。
部分的に作製済みの高アスペクト比半導体構造のＸ線スキャトロメトリ測定に基づいて、プロセスパラメータ、構造的パラメータまたは両パラメータの値を推定するための方法およびシステムが本明細書で提示される。高アスペクト比構造のＸ線スキャトロメトリ測定が、作製プロセスフローの１つ以上のステップで実行される。例示的プロセスステップは、エッチング、堆積およびリソグラフィープロセスを含む。測定は、進行中の半導体作製プロセスフローの収率改善を可能にするために十分な精度で迅速に実行される。一部の例では、ウェハが処理されている間に実行される測定を用いて、進行中のプロセスを制御する。高アスペクト比構造は、入射Ｘ線を効率よく散乱するために十分な総散乱量と材料コントラストを含む。収集された散乱Ｘ線は、測定デバイスの構造的関心パラメータの正確な推定を可能にする。Ｘ線エネルギーはシリコンウェハと光学経路内のプロセスガスに最小の信号汚染で浸透するのに十分なほど高い。
先進的半導体製作ノードのデバイス収率、特に、複雑な高アスペクト比（深、三次元） 構造のデバイス収率は苦戦し続けている。Ｘ線スキャトロメトリに基づくリアルタイムモニタリングおよびプロセス制御は、ＳＥＭ、ＴＥＭ等の伝統的な破壊的技法と比べてコスト効率の良い方式での高アスペクト比構造の作製のためのプロセス制御を可能にする。
Ｘ線スキャトロメトリ測定は、測定対象サンプルを破壊することなく高スループットでの高アスペクト比構造の構造的関心パラメータの正確な推定を提供する。測定感度は浸透深度によって有意に影響されず、測定半導体構造の垂直スタック内の深部に位置する構造の正確な測定を可能にする。さらに、プラズマ処理環境を通って伝播するＸ線輻射は、光学的輻射と比べて、プラズマプロセスによって生成された電磁場からの信号汚染に比較的感応しない。
一態様では、小角スキャトロメトリ（ＳＡＸＳ）計測システムはウェハ処理ツールと一体化され、関心パラメータの測定値は、ウェハ処理ツールを制御するためのフィードバックとして提供される。
図１は、処理対象ウェハ上に配置された半導体構造のＸ線スキャトロメトリ測定に基づいてエッチングプロセスをモニタリングするための例示的ウェハ処理システム１００を描写している。描写された実施形態において、透過型小角スキャトロメトリ（Ｔ－ＳＡＸＳ）計測システムはエッチングプロセスツールと一体化されている。関心パラメータの測定値は、エッチングプロセスツールを制御するためのフィードバックとして提供される。
ウェハ処理システム１００は、プロセス環境１０３とＸ線スキャトロメータを収容するプロセスチャンバ１０４を含む。半導体ウェハ１０１はプロセスチャンバ１０４内に配置されている。ウェハ１０１はウェハチャック１０５に取り付けられ、プロセスチャンバ１０４およびＸ線スキャトロメータに対して、ウェハステージ１４０によって位置決めされる。
一部の実施形態では、ウェハステージ１４０は、ＸＹ平面内でウェハ１０１を、回転運動と並進運動を組み合わせることによって（例えば、Ｘ方向への並進運動と、Ｙ軸周りの回転運動）動かして、ウェハ１０１を、Ｘ線スキャトロメータによって提供される照明に対して位置決めする。一部の他の実施形態では、ウェハステージ１４０は、２つの直交する並進運動（例えば、Ｘ方向およびＹ方向への運動）を組み合わせて、ウェハ１０１を、Ｘ線スキャトロメータによって提供される照明に対して位置決めする。一部の実施形態では、ウェハステージ１４０は、Ｘ線スキャトロメータによって提供される照明に対するウェハ１０１の位置を、６自由度で制御するように構成される。一般に、試料ポジショニングシステム１４０は、限定はしないが、ゴニオメータステージ、６脚ステージ、傾斜ステージおよび線形ステージを含む所望の線形および傾斜位置決め性能を達成するための機械要素の任意の適切な組み合わせを含んでよい。
一部の実施形態では、ウェハ処理システム１００はウェハステージ１４０を含まない。これらの実施形態では、ウェハハンドリングロボット（図示せず）が、プロセスチャンバ１０４内でウェハチャック１０５上にウェハ１０１を配置する。ウェハ１０１は、ウェハ ハンドリングロボットから、真空プロセス環境１０３に匹敵する静電ウェハチャック１０５に移される。これらの実施形態では、Ｘ線スキャトロメータによって実行される測定は、ウェハチャック１０５へのウェハ１０１の締め付け後のＸ線スキャトロメータの視野内のウェハ１０１の部分に限定される。この意味で、ウェハステージ１４０は随意である。この限界を克服するために、ウェハ処理システム１００は、それぞれがウェハ１０１の異なる領域を測定する複数のＸ線スキャトロメータシステムを含んでよい。
一実施形態では、プロセスチャンバ１０４は反応性イオンエッチングシステムの要素である。この実施形態では、プロセス環境１０３は、ウェハ１０１の表面上の露出した材料をエッチングで取り去る高周波誘起プラズマを含む。
図１に描写されるように、Ｘ線スキャトロメータの光学素子は、プロセスチャンバ１０４の外部に配置されている。エッチングプロセスおよび堆積プロセス両方のプロセスチャンバ内にイオン化された粒子が存在する。光学素子は、プロセスによって誘起される磁場を撹乱することを避けるために、ウェハから十分に離れて配置されなければならない。さらに、プロセスチャンバ内に配置された光学素子上にイオン化された粒子が蓄積する可能性があり、したがって、プロセスチャンバ内に光学素子を含めることは実用的でない。
描写された実施形態において、ＳＡＸＳ計測システムは、Ｘ線照明源１１０と、集束光学素子１１１と、ビーム分岐制御スリット１１２と、中間スリット１１３と、ビーム整形スリット機構１２０とを含むＸ線照明サブシステム１２５を含む。Ｘ線照明源１１０は、Ｔ－ＳＡＸＳ測定に適したＸ線輻射を生成するように構成される。一部の実施形態では、Ｘ線照明源１１０は、０.０１ナノメートルから１ナノメートルの間の波長を生成するように構成される。一般に、高スループット、インライン計測を可能にするために十分な光束レベルで高輝度Ｘ線を生成することが可能な任意の適切な高輝度Ｘ線照明源が、Ｔ‐ＳＡＸＳ測定向けのＸ線照明を供給するために想定されてよい。一部の実施形態では、Ｘ線源は、Ｘ線源が異なる選択可能な波長でＸ線輻射を配給することを可能にする調整可能なモノクロメータを含む。
一部の実施形態では、１５ｋｅＶ超の、または１７ｋｅＶ超の光子エネルギーの輻射を発する１つ以上のＸ線源が、デバイス全体ならびにウェハ基板および任意の介在要素を通した十分な透過を可能にする波長での光をＸ線源が供給することを保証するために用いられる。介在要素は、１つ以上の窓（例えば、ベリリウム、サファイヤ、ダイヤモンド等製の窓）を含んでよい。介在要素はまた、ウェハチャック１０５、ロードポートまたはステージ１４０の要素などの、ウェハ１０１と検出器１１９の間の散乱Ｘ線輻射の経路内の構造も含んでよい。構造的プラスチック材料を通る透過は、散乱信号の過度の汚染の危険がない。ウェハチャック１０５の構造的要素、ステージ１４０またはロードポートを通るアパーチャまたは窓が、信号汚染を最小にするために用いられてよい。例えば、ウェハのＸ線スポットは５０‐２００マイクロメートル程度に小さくあり得る。ウェハ付近に位置する要素に関して、散乱次数の汚染を最小にするために必要なアパーチャのサイズは最小である。しかしながら、必要とされるアパーチャサイズは、ウェハからの距離が増加するにつれ関心散乱次数に付随する有限散乱角によって増加する。
例示的Ｘ線源は、Ｘ線輻射を刺激するために固体または液体ターゲットを衝突させるように構成された電子ビーム源を含む。高輝度液体金属Ｘ線照明を生成するための方法およびシステムは、２０１１年４月１９日付でＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐ．に発行された米国特許第７,９２９,６６７号に記載されており、同特許の全体が本明細書に援用される。
非限定的な例として、Ｘ線照明源１１０は、粒子加速器源、液体アノード源、回転アノード源、定置型固体アノード源、マイクロフォーカス源、マイクロフォーカス回転アノード源、プラズマベース源および逆コンプトン線源のうちいずれを含んでもよい。一例では、米国カリフォルニア州パロアルトのリンシーンテクノロジーズ（Ｌｙｎｃｅａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ）から入手可能な逆コンプトン線源が考慮されてよい。逆コンプトン線源は、所定範囲の光子エネルギーにわたりＸ線を生成でき、それによってＸ線源が異なる選択可能な波長でＸ線輻射を配給することを可能にするという付加的な利点を有する。
一部の例では、コンピュータシステム１３０は、Ｘ線照明源１１０に所望のエネルギーレベルでのＸ線輻射を放射させるコマンド信号１３７をＸ線照明源１１０に通信する。エネルギーレベルは、測定対象の高アスペクト比構造に関するより多くの情報を備えた測定データを取得するために変更される。
Ｘ線照明源１１０は、有限横寸法（すなわち、ビーム軸に対して垂直な非ゼロ寸法）を有する線源領域にわたりＸ線発光を生じさせる。集束光学素子１１１は、試料１０１上に配置された計測ターゲットに線源輻射を集束させる。有限横線源寸法は、線源のエッジから入来する光線１１７によって画定されるターゲット上の有限スポットサイズ１０２をもたらす。一部の実施形態では、集束光学素子１１１は、楕円形状の集束光学素子を含む。
ビーム分岐制御スリット１１２が、集束光学素子１１１とビーム整形スリット機構１２０の間のビーム経路に配置されている。ビーム分岐制御スリット１１２は、測定対象試料に提供される照明の分岐を制限する。付加的な中間スリット１１３が、ビーム分岐制御スリット１１２とビーム整形スリット機構１２０の間のビーム経路に配置されている。中間スリット１１３は付加的なビーム整形を提供する。しかしながら、一般に、中間スリット１１３は随意である。
ビーム整形スリット機構１２０は試料１０１の手前のビーム経路に配置されている。一部の実施形態では、ビーム整形スリット機構１２０は、複数個の独立して作動するビーム整形スリットを含む。一実施形態では、ビーム整形スリット機構１２０は４個の独立して作動するビーム整形スリットを含む。これら４個のビーム整形スリットは、入来ビーム１１５の一部を効率的に阻止して、箱形の照明断面を有する照明ビーム１１６を生成する。
一般に、Ｘ線光学素子はＸ線輻射を整形して試料１０１に向ける。一部の例では、Ｘ線光学素子は、試料１０１上に入射するＸ線ビームを単色化するＸ線モノクロメータを含む。一部の例では、Ｘ線光学素子はＸ線ビームをコリメートする、または多層Ｘ線光学素子を用いてＸ線ビームを試料１０１上の測定領域１０２に１ミリラジアン未満の拡散に集束する。これらの例では、多層Ｘ線光学素子がやはりビームモノクロメータとして機能する。一部の実施形態では、Ｘ線光学素子は、１個以上のＸ線コリメートミラー、Ｘ線アパーチャ、Ｘ線ビームストップ、屈折型Ｘ線光学素子、ゾーンプレート、モンテル光学素子などの回折光学素子、微小角入射楕円ミラーなどの鏡面反射型Ｘ線光学素子、中空キャピラリＸ線導波路などのポリキャピラリー光学素子、多層光学素子またはシステム、あるいはそれらの任意の組み合わせを含む。さらなる詳細は、米国特許出願公開第２０１５／０１１０２４９号に記載されており、その内容は全体の参照により本明細書に援用される。
一部の実施形態では、Ｘ線照明源１１０、集束光学素子１１１、スリット１１２および１１３、またはそれらの任意の組み合わせが、制御された大気環境（例えばガスパージ環境）内で維持される。しかしながら、一部の実施形態では、これらの要素いずれの間の、およびこれら要素内のいずれの内部の光経路長も長く、空気中のＸ線散乱が、検出器上の像へのノイズに寄与する。したがって、一部の実施形態では、Ｘ線照明源１１０、集束光学素子１１１、スリット１１２および１１３のいずれも、局所的真空環境内に維持される。図１に描写された実施形態において、集束光学素子１１１、スリット１１２および１１３ならびにビーム整形スリット機構１２０は減圧脱気した飛行管１１８内の制御された環境（例えば、真空）に維持される。照明ビーム１１６は、プロセスチャンバ１０４の窓１０６に入射する前に飛行管１１８の端部の窓１２２を透過する。一部の実施形態では、飛行管１１８は、プロセスチャンバ１０４と一体化され、窓が、飛行管１１８内に維持された真空環境からプロセス環境１０３を分離している。
ウェハ１０１に入射した後で、散乱されたＸ線輻射１１４は、窓１０７を介してプロセスチャンバ１０４から出る。一部の実施形態では、プロセスチャンバ１０４と検出器１１９（すなわち、収集ビーム経路）間の光経路長は長く、空気中のＸ線散乱が、検出器上の像へのノイズに寄与する。したがって、好ましい実施形態では、プロセスチャンバ１０４と検出器１１９間の収集ビーム経路長の大部分が、真空窓（例えば、真空窓１２４）によって環境から分離された局所的真空環境内に維持される。一部の実施形態では、真空チャンバ１２３は、プロセスチャンバ１０４と一体化され、窓が、真空チャンバ１２３内に維持された真空環境からプロセス環境１０３を分離している。一部の実施形態では、Ｘ線検出器１１９は、プロセスチャンバ１０４と検出器１１９の間のビーム経路長と同じ局所的真空環境に維持される。例えば、図１に描写されるように、真空チャンバ１２３は検出器１１９と、プロセスチャンバ１０４と検出器１１９の間のビーム経路長の大部分とを包囲する局所的真空環境を維持する。
一部の他の実施形態では, Ｘ線検出器１１９は制御された大気環境（例えば、ガスパージ環境）に維持される。これは、検出器１１９から熱を取り去るために有益であり得る。しかしながら、これらの実施形態では、プロセスチャンバ１０４と検出器１１９の間のビーム経路長の大部分を、真空チャンバ内の局所的真空環境に維持することが好ましい。一般に、真空窓は、Ｘ線輻射に対して実質的に透明な任意の適切な材料（例えば、カプトン、ベリリウム等）から構築されてよい。
図１に描写された実施形態において、照明光は、プロセスチャンバ１０４のガスインジェクタシステム１０８の１つ以上の窓要素１０６を透過する。ガスインジェクタシステム１０８は、窓要素１０６からプロセスチャンバ１０４内に延在する。一実施形態では、窓要素１０６からウェハ１０１までの距離は約３００ミリメートルであり、ガスインジェクタシステム１０８は、窓要素１０６からウェハ１０１方面に約１５０ミリメートル分延在する。ガスインジェクタシステム１０８は、Ｘ線照明経路に沿ってガスの流れを導いて、イオン化されたガス粒子が窓要素１０６に当たって汚染することを防止する。例示的ガスインジェクタシステムは、米国カリフォルニア州フレモントのＬＡＭリサーチ（ＬＡＭ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって製造されている。
Ｘ線検出器１１９は、試料１０１から散乱されたＸ線輻射１１４を収集して、Ｔ－ＳＡＸＳ測定モダリティに従って、入射Ｘ線輻射に感応する試料１０１の特性を示す出力信号１３５を生成する。一部の実施形態では、試料ポジショニングシステム１４０が、角度分解された散乱Ｘ線を生成するべく試料１０１を配置し配向させる間に、散乱Ｘ線１１４はＸ線検出器１１９によって収集される。
一部の実施形態では、Ｔ－ＳＡＸＳシステムは、高ダイナミックレンジ（例えば１０５超）の１つ以上の光子計数検出器を含む。一部の実施形態では、単一の光子計数検出器は、検出された光子の位置と個数を検出する。
一部の実施形態では、Ｘ線検出器は１つ以上のＸ線光子エネルギーを分解して、試料の特性を示すＸ線エネルギー成分毎の信号を生成する。一部の実施形態では、Ｘ線検出器１１９は、ＣＣＤアレイ、マイクロチャンネルプレート、フォトダイオードアレイ、マイクロストリップ比例計数管、ガス封入比例計数管、シンチレータまたは蛍光材料のいずれかを含む。
このように、検出器内のＸ線光子相互作用は、エネルギーならびに画素位置および計数値によって弁別される。一部の実施形態では、Ｘ線光子相互作用のエネルギーを、所定の上側閾値および所定の下側閾値と比較することによってＸ線光子相互作用が弁別される。一実施形態では、この情報はさらなる処理と記憶（例えば、メモリ１９０への）のために、出力信号１３５によってコンピュータシステム１３０に通信される。
さらなる態様では、Ｔ－ＳＡＸＳシステムを用いて試料の特性（例えば、構造的パラメータ値）を、散乱光の１つ以上の回折次数に基づいて決定する。図１に描写されるように、システム１００は、検出器１１９によって生成された信号１３５を取得し、試料の特性を、取得した信号に少なくとも部分的に基づいて決定し、決定した関心パラメータ１２２をメモリ（例えば、メモリ１９０）に記憶するために用いられるコンピュータシステム１３０を含む。一部の実施形態では、コンピュータシステム１３０は、測定モデルを用いて、処理対象ウェハのスキャトロメトリ測定に基づいて１つ以上の関心パラメータの値を直接推定するためのプロセス制御計測エンジンとして構成される。
別の態様では、Ｔ－ＳＡＸＳに基づく計測は、測定されたデータでの所定の測定モデルの逆解によってサンプルの寸法を決定することを含む。測定モデルは、少数の（１０程度の）調整可能なパラメータを含み、試料のジオメトリおよび光学特性ならびに測定システムの光学特性を表す。逆解の方法は、限定はしないが、モデルベースの回帰、トモグラフィ、機械学習、またはそれらの任意の組み合わせを含む。こうして、ターゲットプロファイルパラメータは、測定された散乱Ｘ線強度とモデル化された結果の間のエラーを最小にするパラメータ化された測定モデルの値の解を求めることによって推定される。
一部の実施形態では、測定モデルは、測定対象のターゲットからの散乱を表す像を生成する測定の電磁モデル（例えば、ボーンウェーブモデル）である。例えば、図６および７に描写された像１５０－１５２は、測定対象のターゲットからの散乱を表す像である。モデル化された像は、プロセス制御パラメータ（例えば、エッチング時間、エッチングチルト、エッチング選択性、堆積速度等）によってパラメータ化されてよい。モデル化された像は、測定された高アスペクト比構造の構造的パラメータ（例えば、高さ、異なる高さでの直径、他の構造に対する孔のアライメント、孔フィーチャの真直度、孔フィーチャの同心度、深さの関数としての堆積層の厚さ、特定の孔フィーチャにわたる、または異なる孔フィーチャ間での堆積層の均一性等）によってパラメータ化されてもよい。
測定された散乱像は、関心パラメータのうち１つ以上の値を推定するために逆解を実行することによって作製プロセスをモニタするために用いられる。これらの例では、逆解は測定された像に最も近く適合するモデル化された散乱像を生成するプロセスパラメータ、幾何パラメータまたは両方の値の解を求めることになる。一部の例では、散乱像の空間は、回帰方法（例えば、最急降下法等）を用いた測定モデルを用いて探索される。一部の例では、予め計算済みの像のライブラリが生成され、そのライブラリは、モデル化像と測定像の間の最適適合をもたらす１つ以上の関心パラメータの値を見出すために探索される。
一部の他の例では、測定モデルは、散乱像の多数のサンプルと既知のプロセス条件、幾何パラメータ値、またはそれら両方を関連付ける機械学習アルゴリズムによって訓練される。こうして、訓練された測定モデルは、測定された散乱像を、プロセスパラメータ、幾何パラメータまたはそれら両方の測定値にマッピングする。一部の例では、訓練された測定モデルは、実測定と関心パラメータの間の直接の機能関係を定義する信号応答計測（ＳＲＭ）モデルである。
一般に、本明細書に記載のいずれの訓練されたモデルも、ニューラルネットワークモデルとして実施される。別の例では、いずれの訓練されたモデルも、線形モデル、非線形モデル、多項式モデル、応答局面モデル、サポートベクターマシンモデル、デシジョンツリーモデル、ランダムフォレストモデル、深層ネットワークモデル、畳み込みネットワークモデルまたは他のタイプのモデルとして実施されてよい。
一部の例では、本明細書に記載のいずれの訓練されたモデルも、モデルの組み合わせとして実施されてよい。モデル訓練および半導体測定向けに訓練された測定モデルの使用に関する付加的な説明は、パンデブ（Ｐａｎｄｅｖ）ほかによる米国特許出願公開第２０１６／０１０９２３０号に提供されており、その全容を参照により本明細書に援用する。
いくつかの他の例では、予想される幾何形状および材料分布を含まない自由形式モデルが、測定対象構造の幾何形状と材料パラメータを記述する。一部の例では、モデルは、独立して調整可能な材料パラメータ値（例えば、電子密度、吸収率または複素屈折率）をそれぞれが有する多くの小さいボクセル（体積要素）を含む。一部の他の実施形態では、材料特性は区分的に一定である。各異なる材料に関連する特性は先験的に決まっている。異なる材料間の境界は自由曲面であり、これらの曲面はレベルセットアルゴリズムによって定められ得る。
測定されたスキャトロメトリデータは、サンプルの像を計算するために用いられる。一部の例では、像は、電子密度、吸収率、複素屈折率またはこれらの材料特性の組み合わせの二次元（２Ｄ）マップである。一部の例では、像は電子密度、吸収率、複素屈折率またはこれらの材料特性の組み合わせの三次元（３Ｄ）マップである。マップは比較的少ない物理的制約を用いて生成される。これらの技法は、セズガイナー（Ｓｅｚｇｉｎｅｒ）ほかによる米国特許出願公開２０１５／０３００９６５号にさらに詳細に説明されており、その主題を全体の参照により本明細書に援用する。
測定されるパラメータ値の精度と正確度を増加させるために、広範囲の入射角および方位角で測定を実行することが望ましい。このアプローチは、解析に利用可能なデータセットの個数と多様性を、様々な大角度、面外配向を含めるように拡張することによって、パラメータ間の相関を減少させる。例えば、直交配向では、Ｔ－ＳＡＸＳはフィーチャのクリティカルディメンションを分解できるが、フィーチャの側壁角と高さには概ね感応しない。しかしながら、広範囲の面外角度配向にわたり測定データを収集することによって、フィーチャの側壁角と高さが分解される。別の例では、広範囲の入射角および方位角で実行された測定は、高アスペクト比構造をそれらの全深さを通して特性評価するために、十分な分解能と浸透深度を提供する。
ウェハ面法線に対するＸ線入射角の関数としての回折輻射の強さの測定値が収集される。複数の回折次数に含まれる情報は典型的に、考慮対象の各モデルパラメータで一意的である。したがって、Ｘ線散乱収率推定は、小さいエラーで、また、パラメータ相関が減少した関心パラメータの値をもたらす。
半導体ウェハ１０１の面法線に対する照明Ｘ線ビーム１１６の各配向は、Ｘ線照明ビーム１１５に対するウェハ１０１の、またはウェハ１０１に対するＸ線照明ビーム１１５の任意の２つの角回転によって記述される。一例では、配向は、ウェハに固定された座標系に関して記述され得る。図２は、ウェハ１０１に、入射角θと方位角φにより記述される特定の配向で入射するＸ線照明ビーム１１６を描写する。座標系ＸＹＺは計測システム（例えば、照明ビーム１１６）に固定され、座標系Ｘ′Ｙ′Ｚ′はウェハ１０１に固定されている。Ｙ軸は、ウェハ１０１の表面と同一面内に整列している。ＸおよびＺはウェハ１０１の表面と整列していない。Ｚ′はウェハ１０１の表面に対して垂直な軸と整列し、Ｘ′とＹ′はウェハ１０１の表面と整列した面内にある。図２に描写されるように、Ｘ線照明ビーム１１６はＺ軸に整列し、したがって、ＸＺ平面内にある。入射角θは、ＸＺ平面内のウェハの面法線に対するＸ線照明ビーム１１６の配向を記述する。さらに、方位角φは、Ｘ′Ｚ′平面に対するＸＺ平面の配向を記述する。θとφを併用してウェハ１０１の表面に対するＸ線照明ビーム１１６の配向を一意的に定義する。この例では、ウェハ１０１の表面に対するＸ線照明ビームの配向は、ウェハ１０１の表面に対して垂直な軸（すなわち、Ｚ′軸）周りの回転と、ウェハ１０１の表面と整列した軸（すなわち、Ｙ軸）周りの回転によって記述される。一部の他の例では、ウェハ１０１の表面に対するＸ線照明ビームの配向は、ウェハ１０１の表面と整列した第１の軸周りの回転と、ウェハ１０１の表面と整列しており第１の軸に対して垂直な他の軸周りの回転によって記述される。
一態様では、ウェハ処理システム１００は、試料１０１を照明ビーム１１６に対して６自由度で能動的に位置決めするように構成された試料ポジショニングシステム１４０を含む。さらに、試料ポジショニングシステム１０１は、試料１０１を、照明ビーム１１６に対して広範な入射角（例えば、少なくとも７０度）および方位角（例えば、少なくとも１９０度）にわたり整列および配向させるように構成される。一部の実施形態では、試料ポジショニングシステム１４０は、試料１０１を、試料１０１の表面と同一面内に整列した広範な回転角にわたり（例えば、少なくとも７０度）回転させるように構成される。このように、試料１０１の角度分解された測定値が、試料１０１の表面上の任意の個数の位置および配向にわたりＸ線スキャトロメータによって収集される。一例では、コンピュータシステム１３０は、試料１０１の望ましい位置を示すコマンド信号１３９を試料ポジショニングシステム１４０に通信する。それに応答して、試料ポジショニングシステム１４０は、試料ポジショニングシステム１４０の種々のアクチュエータにコマンド信号を発して試料１０１の所望の位置決めを達成する。
一部の他の実施形態では、Ｘ線スキャトロメータシステムは測定対象ウェハに対して回転するように構成される。これらの実施形態では、ウェハはＸＹ平面内で移動し、Ｘ線スキャトロメータの光学素子は、ウェハ１０１への照明ビーム１１６の入射点周りに回転される。
測定試料の散乱効率は、抽出された散乱強度を、ある組み合わせの入射角｛θ，φ｝に関する計測ターゲットの幾何形状および材料に関連させる。図８は、入射角θの関数としての０次ビームの散乱効率Ｓ００のプロット１５３を描写する。Ｓ００は入射角に依存するが、それは、ターゲットを通る透過は、増加した経路長により、より高い入射角では減少するためである。さらに、Ｓ００は入射角に依存するが、それは、入射角がターゲットの散乱と整列した場合（例えば垂直入射）にエネルギーが０次から離れてより高い回折次数に入るためである。
図９は、入射角θの関数としてのいくつかの高次の散乱効率を描写する。プロットライン１５４はＳ１１を描写し、プロットライン１５５はＳ１３を描写し、プロットライン１５６はＳ２０を描写し、プロットライン１５７はＳ２２を描写する。全ての高次の散乱強度は典型的に、散乱深さまたは密度に依存する。一般に、０次の散乱振幅は散乱深さが増加するにつれて減少し、それに対し他の散乱次数の散乱振幅は、散乱深さが増加するにつれ増加する。
別の態様では、プロセス補正が、関心パラメータ（例えば、クリティカルディメンション、オーバーレイ、高さ、側壁角等）の測定値に基づいて決定され、補正はプロセスツールに通信されて、プロセスツール（例えば、リソグラフィーツール、エッチングツール、堆積ツール等）の１つ以上のプロセス制御パラメータを変更する。一部の実施形態では、測定構造上にプロセスが実行されている間にＳＡＸＳ測定が実行されて、プロセス制御パラメータが更新される。一部の実施形態では、ＳＡＸＳ測定は特定のプロセスステップ後に実行され、そのプロセスステップに関連するプロセス制御パラメータは、そのプロセスステップによる将来のデバイスの処理のために更新される。一部の実施形態では、ＳＡＸＳ測定は特定のプロセスステップ後に実行され、後続プロセスステップに関連するプロセス制御パラメータは、後続プロセスステップによる測定デバイスまたは他のデバイスの処理のために更新される。
一部の例では、本明細書に記載の測定方法に基づいて決定された測定パラメータの値は、エッチング時間を調整して望ましいエッチング深さを達成するためにエッチングツールに通信され得る。同様な態様で、エッチングパラメータ（例えば、エッチング時間、拡散率等）または堆積パラメータ（例えば、時間、濃度等）が、エッチングツールまたは堆積ツールにそれぞれアクティブフィードバックを提供するために、測定モデルに含まれてもよい。一部の例では、測定されたデバイスパラメータ値に基づいて決定されたプロセスパラメータに対する補正が、プロセスツールに通信されてよい。一実施形態では、コンピュータシステム１３０は、計測システム１０１から受け取った測定信号１３５に基づいてプロセス中に１つ以上の関心パラメータの値を決定する。さらに、コンピュータシステム１３０は、１つ以上の関心パラメータの決定値に基づいて制御コマンド１３６をプロセスコントローラ１０９に通信する。制御コマンド１３６は、プロセスコントローラ１０９に、プロセスの状態を変化させる（例えば、エッチングプロセスを停止する、拡散率を変更する等）。一例では、制御コマンド１３６は、プロセスコントローラ１０９に、所望のエッチング深さが測定された場合にエッチングプロセスを停止させる。別の例では、制御コマンド１３６は、プロセスコントローラ１０９に、ＣＤパラメータの測定されたウェハ均一性を改善するためにエッチング速度を変更させる。
一般に、入射Ｘ線照明が周期構造と相互作用するにつれ、Ｘ線照明はコヒーレントに散乱して検出器１１９上に回折像（例えば、図６－７に描写された像１５０－１５２）を生成する。所望の散乱像または散乱像のシーケンスは、プロセスツールが正しく調整された場合に達成される。しかしながら、測定された像が所望の像または所望の像のシーケンスから逸脱すると、これらの逸脱は、プロセスツールのドリフトを示し、また、プロセスツールを正しい調整に戻すために必要なプロセス制御変量への補正を示す。
図３は、エッチングプロセス経過中の２つの孔フィーチャを含む半導体構造１４１を示す図である。図３に描写されるように、孔の初期プロファイル１４２は、エッチングプロセスによって拡大されたプロファイル１４３に変わっている。図３に描写されるように、Ｘ線照明１１６は構造１４１に関心ターゲットで向けられている。この入射の位置は、デバイス収率に必須であるプロセスの態様を最もよく表すように選択される。エッチングプロセスが進行するにつれ、孔フィーチャの深さと孔フィーチャの幅が変わる。
図４は、堆積プロセスを経過中の、２つの孔フィーチャを含む半導体構造１４４を示す図である。図４に描写されるように、孔の初期プロファイル１４５は、堆積プロセスによって縮小されたプロファイル１４５に変わっている。図４に描写されるように、Ｘ線照明１１６は構造１４４に関心ターゲットで向けられている。この入射の位置は、デバイス収率に必須であるプロセスの態様を最もよく表すように選択される。堆積プロセスが進行するにつれ、孔フィーチャの深さと孔フィーチャの幅が変わる。
図６は、エッチングされた孔のサイズの変化を示す散乱像１５０および１５１を描写している。エッチングプロセス中に、エッチングされた孔フィーチャがサイズを変えるにつれ、エッチングされたフィーチャの空間的フーリエ変換が変化して、回折パターンを変化させる。次数にわたる強度パターンが縮小するにつれ、フィーチャサイズが増加していることを示す（例えば、孔フィーチャの直径が増加する）。孔直径の不要な増加を避けるために、プロセス制御パラメータ（例えば、エッチング時間）は、孔直径の不要な増加を避けるべく調整される。
図７は、エッチングされた孔の深さの変化を表す散乱像１５０および１５２を描写している。エッチングされた孔が、エッチングプロセス中に深くなるにつれ、または堆積プロセス中に浅くなるにつれ、エッチングされたフィーチャの空間的フーリエ変換が変化して、検出される回折パターンの強度を変化させる。次数にわたる強度が増加するにつれ、孔深さが増加していることを示し、または逆に、次数にわたる強度が減少するにつれ、孔深さが減少していることを示す。孔深さの不要な変化を避けるために、プロセス制御パラメータ（例えば、エッチング時間、バイアス電圧等）は、孔深さの不要な変化を防止するべく調整される。
図５は、２つの層を含み、各層が２つの 孔フィーチャを含んでいる半導体構造１４７を示す図である。第１の層は充填孔１４８を含む。第２の層は未充填孔１４９を含む。図５に描写されるように、第２の層の孔１４９は、傾いており、第１の層の充填孔１４８に対して位置合わせエラー距離ＡＥ分ずれている。図５に描写されるように、Ｘ線照明１１６は構造１４７に関心ターゲットで向けられている。この入射位置は、デバイス収率に必須であるプロセスの態様を最適に表すように選択される。
処理済み構造（すなわち、孔１４９）に対する下部構造（すなわち、孔１４８）からの検出された散乱の位相が、位置合わせエラー距離ＡＥの指標を提供する。Ｘ線照明１１６の入射角に対する処理済み構造からの散乱は、孔１４９の傾きの指標を提供する。これらの測定信号を併用することで、オーバーレイエラーと傾きの推定が可能になる。次に、エッチングツールのプロセス制御パラメータを補正することによってチルトを補正し、リソグラフィーツールのプロセス制御パラメータを補正してオーバーレイエラーを補正することによってエッジ配置エラーが補正される。オーバーレイおよび孔傾きのモニタリングに関する付加的な説明は、米国特許出願公開第２０１５／０１１７６１０号に提供されており、その主題を、全体の参照により本明細書に援用する。
一般に、計測ターゲットはアスペクト比によって特徴付けられ、アスペクト比は、計測ターゲットの最大高さ寸法（すなわちウェハ表面に対し直交している方向の寸法）を最大横方向寸法（即ちウェハ表面に対し整列している方向の寸法）により除したものとして定義される。一部の実施形態では、測定対象計測ターゲットは少なくとも２０のアスペクト比を有する。一部の実施形態では、計測ターゲットは少なくとも４０のアスペクト比を有する。
図１２Ａ－１２Ｃは、本明細書に記載の方式での測定対象となる典型的な３Ｄ－ＦＬＡＳＨメモリデバイス１７０のそれぞれ等角図、上面図および断面図である。メモリデバイス１７０の総高（または同等に深さ）は、１～数マイクロメートルの範囲である。メモリデバイス１７０は縦型製造デバイスである。メモリデバイス１７０などの縦型製造デバイスは本質的に、従来型平面メモリデバイスを９０度回転させて、ビットラインとセルストリングを垂直に（ウェハ表面に対して垂直に）配向させる。十分なメモリ容量を提供するために、ウェハ上に異なる材料の多数の交互層が堆積される。これは、パターニングプロセスが、１００ナノメートルまたはそれ未満の最大横幅の構造に関して数ミクロンの深さまでうまく実行されることを必要とする。その結果、２５対１または５０対１のアスペクト比も珍しくはない。
図１０は、高アスペクト比孔構造１６０のアレイの上面図を描写している。図１０に描写されるように、孔構造のアレイは、平面１６１、１６２、１６３および１６４（図から内側および外側に延在している）に沿って最も密にパターニングされている。一部の実施形態では、本明細書に記載ような高アスペクト比構造の測定を、高アスペクト比構造のアレイが最も密にパターニングされている平面内にある測定対象ウェハの表面に対する入射Ｘ線照明ビームの配向で実行することが好ましい。図１０に描写された例では、孔構造のアレイが最も密にパターニングされている平面１６１、１６２、１６３および１６４内にある孔構造１６０のアレイに対してＸ線照明を提供することが好ましい。
図１１Ａは、理想的アスペクト比孔構造１６５の側面図を描写している。図１１Ｂは、傾いた孔構造１６６の側面図を描写している。図１１Ｃは、漸次傾く孔構造１６７の側面図を描写しており、傾き度は深さにつれて漸次増加する。多くの例において、孔構造１６６および１６７は望ましくない。一部の実施形態では、孔構造１６６および１６７に類似した孔構造は、本明細書に記載のようなＴ－ＳＡＸＳ測定によって特性評価される。一例では、孔構造１６６は、チルト角パラメータαによって特徴付けられる。さらに、Ｘ線照明ビーム１１６は、例えば、図２を参照して説明されたように、面法線に対して角度φで、および対頂角－φで孔構造１６６に提供される。一部の実施形態では、これらの２つの照明シナリオで生じる測定されたＴ－ＳＡＸ信号における差が、チルト角αを正確に推定するために十分な信号情報を提供する。
別の例では、孔構造１６７は、いくつかのチルト角パラメータα１、α２、α３によって区分的に特徴付けられる。同様に、Ｘ線照明ビーム１１６は、例えば、図２を参照して説明されたように、面法線に対して角度φで、および対頂角－φで孔構造１６７に提供される。一部の実施形態では、これらの２つの照明シナリオで生じる測定されたＴ－ＳＡＸ信号における差が、チルト角α１、α２およびα３を正確に推定するために十分な信号情報を提供する。
図１に描写された実施形態において、Ｔ－ＳＡＸＳ計測システムはプロセスツールに一体化され、プロセスが遂行されている間にプロセスツールに測定結果を提供する。しかしながら、一般に、Ｔ－ＳＡＸＳ計測システムはスタンドアローンツールとして実施されてよい。これらの実施形態では、プロセスステップは完了されて、ウェハ１０１は測定のためにスタンドアローンＴ－ＳＡＸＳツールに転移されなければならない。プロセス制御変量に対する変更は、後続ウェハの処理のためにプロセスツールに伝えられる。
作製中の特定の高アスペクト比構造の測定周波数は、モニタされるプロセスパラメータの安定性に依存する。さらに、所要測定時間の長さは、モニタされるプロセス変量の変化に対する散乱感度に依存する。散乱信号をイン・サイチュで測定することは、プロセス条件を最速で測定するが、最高度の不確定性で測定することになる。一方、より長い測定時間は、より高い精度と、測定されたパラメータの確度を提供する。一般に、総散乱量に影響するプロセスパラメータ（例えば、エッチング時間）は最速でモニタされ得る一方、他のパラメータ（例えば、エッチングプロファイルのわずかな偏差）は、意義ある結果を達成するためには移動平均またはより長い測定時間のいずれかを要する。したがって、これらのパラメータは、より遅いベースでのみ制御され得る。測定がイン・サイチュで実行されてもスタンドアローンツールで実行されても、感度と所要測定時間の間のトレードオフは存在する。しかしながら、より長い測定は典型的に、特定の測定向けに設計された、より安定したスタンドアローンツールでより正確に実行される。
図１は透過型ＳＡＸＳ測定システムを描写しているが、一般に、浅いフィーチャを測定するために反射型ＳＡＸＳ測定システムが用いられてもよい。
図１３は、処理対象ウェハ上に配置された半導体構造のＸ線スキャトロメトリ測定に基づくエッチングプロセスのモニタリングのための例示的ウェハ処理システム２００を描写している。一態様では、反射型スキャトロメトリ計測システムは、エッチングプロセスツールと一体化されている。関心パラメータの測定値は、エッチングプロセスを制御するためのフィードバックとして提供される。
ウェハ処理システム２００は、プロセス環境２０３および反射型Ｘ線スキャトロメータを収容するプロセスチャンバ２０４を備えている。半導体ウェハ２０１はプロセスチャンバ２０４内に配置されている。ウェハ２０１はウェハチャック２０５に取り付けられ、ウェハステージ２４０によってプロセスチャンバ２０４およびＸ線スキャトロメータに対して位置決めされている。
一実施形態では, プロセスチャンバ２０４は反応性イオンエッチングシステムの一要素である。この実施形態では、プロセス環境２０３はウェハ２０１の表面上の露出した材料をエッチングで取り去る高周波誘起プラズマを含む。
描写される実施形態において、ＳＡＸＳ計測システムは、図１を参照した照明源１１０の説明に類似した反射型ＳＡＸＳ測定に適したＸ線輻射を生成するように構成されたＸ線照明源２１０を含む。
一部の例では、コンピュータシステム１３０は、Ｘ線照明源２１０に、望ましいエネルギーレベルでＸ線輻射を放射させるコマンド信号２３７を、Ｘ線照明源２１０に通信する。エネルギーレベルは、測定対象の高アスペクト比構造に関するより多くの情報を備えた測定データを取得するために変更される。
照明ビーム２１６はプロセスチャンバ２０４の窓２０６を透過して測定スポット２０１の上で試料２０１を照明する。ウェハ２０１に入射した後で、散乱されたＸ線輻射２１４は窓２０７を介してプロセスチャンバ２０４から出る。一部の実施形態では、プロセスチャンバ２０４と検出器２１９の間の光経路長（すなわち、収集ビーム経路）は長く、大気中のＸ線散乱が検出器上の像へのノイズに寄与する。したがって、好ましい実施形態では、プロセスチャンバ２０４と検出器２１９の間の収集ビーム経路長の大部分は局所的真空環境に維持される。
Ｘ線検出器２１９は、試料２０１から散乱されたＸ線輻射を収集して、反射型ＳＡＸＳ測定モダリティに従って、入射Ｘ線輻射に感応する試料２０１の特性を示す出力信号２３５を生成する。一部の実施形態では、散乱されたＸ線２１４は、試料ポジショニングシステム２４０が、コンピュータシステム２３０から試料ポジショニングシステム２４０に通信されたコマンド信号２３９に従って、角度分解された散乱Ｘ線を生成するように試料２０１を配置し配向させる間に、Ｘ線検出器２１９によって収集される。
さらなる態様では、コンピュータシステム２３０は、ウェハ２０１の特性（例えば、構造的パラメータ値）を、散乱光の１つ以上の回折次数に基づいて決定するために用いられる。図１３に描写されるように、システム２００は、検出器２１９から生成された信号２３５を取得して、試料の特性を、取得した信号に少なくとも部分的に基づいて決定し、関心パラメータの決定された値の指標２２２をメモリ（例えばメモリ２９０）に記憶するために用いられるコンピュータシステム２３０を含む。一部の実施形態では、コンピュータシステム２３０は、測定モデルを用いて処理対象ウェハのスキャトロメトリ測定に基づき１つ以上の関心パラメータの値を直接推定するプロセス制御計測エンジンとして構成される。
さらに、コンピュータシステム１３０は、１つ以上の関心パラメータの決定された値に基づいてプロセスコントローラ２０９に制御コマンド２３６を通信する。制御コマンド２３６は、プロセスコントローラ２０９にプロセスの状態を変更させる（例えば、エッチングプロセスを停止する、拡散率を変更する等）。
図１４は、コンピュータシステム１３０によって実装される例示的モデル構築および解析エンジン１８０を示す図である。図１４に描写されるように、モデル構築および解析エンジン１８０は、試料の測定された構造の構造的モデル１８２を生成する構造的モデル構築モジュール１８１を含む。一部の実施形態では、構造的モデル１８２は試料の材料特性も含む。構造的モデル１８２はＴ－ＳＡＸＳ応答関数構築モジュール１８３への入力として受け取られる。Ｔ－ＳＡＸＳ応答関数構築モジュール１８３は、構造的モデル１８２に少なくとも部分的に基づいてＴ－ＳＡＸＳ応答関数モデル１８４を生成する。一部の例では、Ｔ－ＳＡＸＳ応答関数モデル１８３は以下のＸ線フォームファクタに基づいている。
Figure 0007250705000001
 式中、Ｆはフォームファクタであり、ｑは散乱ベクトルであり、ｐ（ｒ）は球面座標における試料の電子密度である。そこでＸ線散乱強度は以下によって与えられる。
Figure 0007250705000002
Ｔ－ＳＡＸＳ応答関数モデル１８４が当てはめ解析モジュール１８５への入力として受け取られる。当てはめ解析モジュール１８５はモデル化されたＴ－ＳＡＸＳ応答を、対応する測定データ１３５と比較して、試料の幾何特性ならびに材料特性を決定する。
一部の例では、実験データへのモデル化されたデータの当てはめは、カイ二乗値を最小にすることによって達成される。例えば、Ｔ－ＳＡＸＳ測定の場合、カイ二乗値は以下として定義され得る。
Figure 0007250705000003
式中、Ｓｊ ＳＡＸＳ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔは「チャンネル」ｊ内の測定されたＴ－ＳＡＸＳ信号 １２６であり、指数ｊは、回折次数、エネルギー、角度座標等のシステムパラメータの集合を記述する。Ｓｊ ＳＡＸＳ ｍｏｄｅｌ（ｖ１，．．．，ｖＬ）は、構造（ターゲット）パラメータ（ｖ１，．．．，ｖＬ）の集合に関して評価された「チャンネル」ｊのモデル化されたＴ－ＳＡＸＳ信号Ｓｊであり、これらのパラメータは幾何（ＣＤ、側壁角、オーバーレイ等）および材料（電子密度等）を記述する。σＳＡＸＳ，ｊは、ｊ個目のチャンネルに関連する不確定性である。ＮＳＡＸＳは、Ｘ線計測におけるチャンネルの総数である。Ｌは、計測ターゲットを特徴付けるパラメータの個数である。
式（３）は、別々のチャンネルに係る不確定性が相関していないと仮定する。異なるチャンネルに関連する不確定性が相関している例において、不確定性間の共分散が計算され得る。これらの例では、Ｔ－ＳＡＸＳ測定のカイ二乗値は以下として表され得る。
Figure 0007250705000004
式中、ＶＳＡＸＳはＳＡＸチャンネル不確定性の共分散行列であり、Ｔは転置を示す。
一部の例では、当てはめ解析モジュール１８５は、Ｔ－ＳＡＸＳ応答モデル１８４でＴ－ＳＡＸＳ測定データ１３５に当てはめ解析を実行することによって少なくとも１つの試料パラメータ値が導出される。一部の例では、Ｘ２ ＳＡＸＳが最適化される。
本明細書で前述のように、Ｔ－ＳＡＸＳデータの当てはめは、カイ二乗値を最小化することによって達成される。しかしながら、一般に、Ｔ－ＳＡＸＳデータの当てはめは他の関数によって達成され得る。
Ｔ－ＳＡＸＳ計測データの当てはめは、関心幾何および／または材料パラメータに対して有感なものであれば、どのような任意のタイプのＴ－ＳＡＸＳ技術にも有益である。試料パラメータは、試料とのＴ－ＳＡＸＳビーム相互作用を記述する適正なモデルが使用される限り、決定論的（例えば、ＣＤ、ＳＷＡ等）であっても、または統計的（例えば、側壁粗さのｒｍｓ高さ、粗さ相関長等）でもかまわない。
一般に、コンピュータシステム１３０は、クリティカルディメンショニング（ＲＴＣＤ）を用いてリアルタイムでモデルパラメータにアクセスするように構成されるか、または、試料１０１に関連する少なくとも１つの試料パラメータ値の値を決定するための予め計算済みのモデルのライブラリにアクセスしてもよい。一般に、何らかの形式のＣＤエンジンが、試料の割り当てられたＣＤパラメータと、被測定試料に関連するＣＤパラメータの間の差を評価するために用いられてよい。試料パラメータ値を計算するための例示的方法およびシステムは、ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐ．に２０１０年１１月２日に発行された米国特許第７，８２６，０７１号に記載されており、その全体を参照により本明細書に援用する。
一部の例では、モデル構築および解析エンジン１８０は、フィードサイドウェイ解析、フィードフォワード解析およびパラレル解析の任意の組み合わせによって、測定されたパラメータの精度を改善する。フィードサイドウェイ解析とは、同じ試料の異なる領域上の複数のデータセットを採取して、解析のため、第１のデータセットから決定された共通パラメータを第２のデータセットに引き渡すことを指す。フィードフォワード解析とは、異なる試料上のデータセットを採取して、段階的コピーイグザクトパラメータフィードフォワードアプローチ（ｓｔｅｐｗｉｓｅ ｃｏｐｙ ｅｘａｃｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｆｅｅｄ ｆｏｒｗａｒｄ ａｐｐｒｏａｃｈ）を用いて共通パラメータを後続解析に先行供給することを指す。パラレル解析とは、非線形当てはめ方法論を複数のデータセットに並列または同時に適用し、少なくとも１つの共通のパラメータは当てはめ中に結合される解析を指す。
複数ツールおよび構造解析とは、フィードフォワード、フィードサイドウェイまたはパラレル解析のうち、回帰、ルックアップテーブル（すなわち「ライブラリ」マッチング）、または複数個のデータセットの他の当てはめ手順に、依拠するもののことである。多重ツールおよび構造分析の方法およびシステムの例がＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐ．名義の２００９年１月１３日付の米国特許第７,４７８,０１９号に記載されており、この参照を以てその全容を本明細書に援用する。
別の態様では、プロセスツールに一体化された１つ以上のＳＡＸＳシステムは、プロセスインターバル中にウェハの複数の異なる領域を測定するように構成されている。一部の実施形態では、各測定された関心パラメータに関連するウェハ均一性値が、ウェハにわたり測定された各関心パラメータの値に基づいて決定される。
一部の実施形態では、複数の計測システムがプロセスツールに一体化され、計測システムは、プロセス中にウェハにわたる異なる領域を同時に測定するように構成される。一部の実施形態では、プロセスツールに一体化された単一の計測システムは、プロセス中にウェハの複数の異なる領域を逐次測定するように構成される。
一部の実施形態では、本明細書に記載のようなプロセスを経過中の半導体デバイスのＳＡＸＳベースの計測のための方法およびシステムが、メモリ構造の測定に適用される。これらの実施形態は、周期性且つ平面構造のクリティカルディメンション（ＣＤ）、膜および組成計測を可能にする。
本明細書に記載のスキャタロメトリ測定を用い、様々な半導体構造の特性を求めることができる。例示的構造は、限定はしないが、ＦｉｎＦＥＴ、低次元構造例えばナノワイヤやグラフェン、サブ１０ｎｍ構造、リソグラフィック構造、スルー基板ビア（ＴＳＶ）、メモリ構造例えばＤＲＡＭ、ＤＲＡＭ４Ｆ２、ＦＬＡＳＨ、ＭＲＡＭおよび高アスペクト比メモリ構造がある。例示的構造特性は、限定はしないが、幾何パラメータ例えばラインエッジ粗さ、ライン幅粗さ、孔（ポア）サイズ、孔密度、側壁角、プロファイル、クリティカルディメンション、ピッチ、厚み、オーバーレイと、材料パラメータ例えば電子密度、組成、グレイン構造、モルホロジ、応力、歪み及び元素種別とがある。一部の実施形態では計測ターゲットは周期構造である。一部の他の実施形態では計測ターゲットは非周期性である。
一部の例では、限定はしないが、スピン注入トルクランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ－ＲＡＭ）、三次元ＮＡＮＤメモリ（３Ｄ－ＮＡＮＤ）または立体ＮＡＮＤメモリ（Ｖ－ＮＡＮＤ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、三次元ＦＬＡＳＨメモリ（３Ｄ－ＦＬＡＳＨ）、抵抗変化型ランダムアクセスメモリ（Ｒｅ－ＲＡＭ）および相変化ランダムアクセスメモリ（ＰＣ－ＲＡＭ）等、高アスペクト比半導体構造のクリティカルディメンション、厚み、オーバーレイ及び材料特性の測定が本明細書に記載のＴ－ＳＡＸＳ計測システムで以て実行される。
一部の例では、測定モデルは、米国カリフォルニア州ミルピタスのＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＳｐｅｃｔｒａＳｈａｐｅ（登録商標）クリティカルディメンション計測システムの要素として実装される。こうして、モデルが作製され、システムによって散乱像が収集された直後に使用できる態勢にある。
一部の他の例では、測定モデルは、米国カリフォルニア州ミルピタスのＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＡｃｕＳｈａｐｅ（登録商標）ソフトウェアを実装するコンピュータシステムによってオフラインで実施される。結果として得られるモデルは、測定を実行している計測システムによってアクセス可能なＡｃｕＳｈａｐｅ（登録商標）ライブラリの要素として組み込まれてよい。
図１５は、少なくとも１つの新規態様でのプロセス中に計測測定を実行する方法３００を示す。方法３００は、本発明の図１および１３に示すＳＡＸＳ計測システなどの計測システムによる実装に適している。一態様では、コンピュータシステム１３０、コンピュータシステム２３０、または任意の他のコンピュータシステムの１つ以上のプロセッサを介して実行される予めプログラミングされているアルゴリズムを介して方法３００のデータ処理ブロックを実行することができることが認識される。ここで、図１および１３に描写された計測システムの特定の構造的態様が限定事項を体現しているわけではなく、それらは専ら例証として解されるべきであることが認識される。
ブロック３０１で、ある量のＸ線照明光が、半導体ウェハ上に部分的に作製済みの１つ以上の高アスペクト比構造を含む測定スポットに提供される。
ブロック３０２で、半導体ウェハから反射した、または半導体ウェハを透過したある量のＸ線光が、ある量のＸ線照明光に応答して検出される。
ブロック３０３で、部分的に作製済みの１つ以上の高アスペクト比構造に関連する１つ以上の関心パラメータの値が、検出された量のＸ線光に基づいて求まる。
ブロック３０４で、１つ以上の関心パラメータの値の指標が作製ツールに通信され、それが、作製ツールに、作製ツールの１つ以上のプロセス制御パラメータの値を調整させる。
さらなる実施形態では、システム１００は、本明細書に記載の方法に従って収集されたスキャトロメトリ測定データに基づいて半導体構造の測定を実行するために用いられる１つ以上のコンピュータシステム１３０を含む。１つ以上のコンピュータシステム１３０は、１つ以上の検出器、能動光学素子、プロセスコントローラ等に通信可能に結合されてよい。一態様では、１つ以上のコンピュータシステム１３０は、ウェハ１０１の構造のスキャトロメトリ測定に関連する測定データを受信するように構成される。
本件開示の随所に記載の１つ以上のステップは、単一のコンピュータシステム１３０で実行してもよいし、または代替的に複数個のコンピュータシステム１３０で実行してもよいことを認識されたい。さらに、システム１００の様々なサブシステムは、本明細書に記載のステップのうち少なくとも一部分を実行するのに適したコンピュータシステムを含んでもよい。したがって、上掲の記述は本発明に対する限定事項として解されるべきではなく、単なる例証として解されるべきである。
加えて、コンピュータシステム１３０は、当技術分野で知られる任意の方式で、分光器に通信可能に結合されてよい。例えば、１つ以上のコンピュータシステム１３０は、スキャトロメータに係るコンピュータシステム群に結合されてもよい。別の例では、スキャトロメータは、コンピュータシステム１３０に結合された単一のコンピュータシステムにより直に制御されてもよい。
システム１００のコンピュータシステム１３０は、有線および／または無線部分を含み得る伝送媒体によってシステムのサブシステム（例えば、スキャトロメータ等）からデータまたは情報を受領および／または捕捉するように構成されてよい。こうすることで、その伝送媒体を、コンピュータシステム１３０とシステム１００の他のサブシステムとの間のデータリンクとして働かせることができる。
システム１００のコンピュータシステム１３０は、有線および／または無線部分を含み得る伝送媒体によって他のシステムからのデータまたは情報（例えば、測定結果、モデルリング入力、モデリング結果等）を受信および／または取得するように構成されてよい。こうすることで、その伝送媒体を、コンピュータシステム１３０と他のシステム（例えば、メモリオンボードシステム１００、外部メモリまたは他の外部システム）との間のデータリンクとして働かせることができる。例えば、コンピュータシステム１３０は、記憶媒体（すなわち、メモリ１３２または外部メモリ）からの測定データを、データリンクを介して受信するように構成されてよい。例えば、本明細書に記載のスキャトロメータを用いて得た散乱像は、恒久または半恒久メモリデバイス（例えば、メモリ１３２または外部メモリ）に記憶されてよい。この関連で、スキャトロメトリ像はオンボードメモリから、または外部メモリシステムからインポートされてよい。さらに、コンピュータシステム１３０は伝送媒体を介してデータを他のシステムに送信してよい。例えば、コンピュータシステム１３０によって決定された測定モデルまたは推定パラメータ値は、外部メモリに通信されそこに記憶されてよい。この意味で、測定結果は別のシステムにエクスポートされてもよい。
コンピュータシステム１３０は、限定はしないが、パーソナルコンピュータシステム、メインフレームコンピュータシステム、ワークステ－ション、イメージコンピュータ、パラレルプロセッサ、または当技術分野で知られる任意の他のデバイスを含んでよい。一般に、用語「コンピュータシステム」は、メモリ媒体からの命令を実行する１つ以上のプロセッサを有する任意のデバイスを包含するように広範に定義されてよい。
本明細書に記載の方法などの方法を実行するプログラム命令１３４は、ワイヤ、ケーブルまたはワイヤレス伝送リンクなどの伝送媒体を介して伝送されてよい。例えば、図１に示すように、メモリ１３２に記憶されたプログラム命令１３４は、バス１３３を介してプロセッサ１３１に伝送される。プログラム命令１３４はコンピュータ可読媒体（例えば、メモリ１３２）に記憶される。例示的コンピュータ可読媒体は、リードオンリーメモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気もしくは光学ディスクまたは磁気テープを含む。本明細書に記載の要素２３１－２３４を含むコンピュータシステム２３０は、それぞれ要素１３１－１３４を含むコンピュータシステム１３０と類似している。
本明細書に記載の用語「クリティカルディメンション」は、構造（例えば、ボトムクリティカルディメンション、ミドルクリティカルディメンション、トップクリティカルディメンション、側壁角、グレーティング高さ等）の任意のクリティカルディメンション、任意の２つ以上の構造間のクリティカルディメンション（例えば、２つの構造間の距離）、および２つ以上の構造の間の変位（例えば、オーバーレイグレーティング構造間のオーバーレイ変位等）を含む。構造は、三次元構造、パターニングされた構造、オーバーレイ構造等を含んでよい。
本明細書に記載の用語「クリティカルディメンション用途」または「クリティカルディメンション測定用途」は、任意のクリティカルディメンション測定を含む。
本明細書に記載の用語「計測システム」は、クリティカルディメンション計測、オーバーレイ計測、焦点／露光量計測および組成計測などの測定アプリケーションを含む、任意の態様で試料を少なくとも部分的に特性評価するために用いられる任意のシステムを含む。しかしながら、そのような技術用語は、用語「計測システム」の範囲を本明細書に記載のように限定しない。さらに、計測システムは、パターン付きウェハおよび／またはパターンなしウェハの測定向けに構成されてよい。計測システムは、ＬＥＤ検査ツールとして、エッジ検査ツールとして、バックサイド検査ツールとして、マクロ検査ツールとして、またはマルチモード検査ツールとして（１つ以上のプラットフォームからの同時のデータを含む）および、クリティカルディメンションデ－タに基づくシステムパラメータの較正から利を受ける任意の他の計測または検査ツールとして構成されてよい。
種々の実施形態は、任意の半導体処理ツール内で試料を測定するために用いられ得る半導体処理システム（例えば、検査システムまたはリソグラフィーシステム）に関して本明細書に記載されている。用語「試料」は本明細書では、ウェハ、レチクルまたは、当技術分野で知られる手段によって処理され得る（例えば、印刷される、または欠陥検査される）任意の他のサンプルを指して用いられる。
本明細書で用いる用語「ウェハ」は一般に、半導体または非半導体材料で形成された基板を指す。例としては、限定はしないが、単結晶シリコン、ヒ化ガリウム、リン化インジウムを含む。そのような基板は半導体作製設備内で一般に見受けられるおよび／または処理され得る。一部の場合には、ウェハは基板のみを含み得る（すなわち、ベアウェハ）。または、ウェハは基板上に形成された１つ以上の異種材料の層を含んでよい。ウェハ上に形成された１つ以上の層は、「パターニングされている」または「パターニングされていない」ものであり得る。例えば、ウェハは、反復可能なパターンフィーチャを有する複数のダイを含んでよい。
「レチクル」は、レチクル作製プロセスの任意の段階にあるレチクル、または、半導体製造設備内での使用向けにリリースされているまたはリリースされていない場合がある完成したレチクルであってよい。レチクル、または「マスク」は一般に、上に実質的に半透明な領域が形成され、パターン状に構成されている実質的に透明な基板として定義される。基板は例えば、アモルファスＳｉＯ２などのガラス材料を含み得る。レチクルは、レチクル上のパターンがレジストに転写され得るように、リソグラフィープロセスの露光ステップ中に、レジストで被覆されたウェハの上に配置されてよい。
ウェハ上に形成された１つ以上の層は、パターニング済みでも未パターニングでもよい。例えば、ウェハは、反復可能なパターンフィーチャを有する複数のダイを含んでよい。そのような材料の層の形成と処理が、最終的に完成したデバイスを得ることができる。多くの異なるタイプのデバイスがウェハ上に形成されてよく、用語ウェハは、本明細書において、当技術分野で知られる任意のタイプのデバイスがその上に作製されるウェハを包含することを意図している。
１つ以上の例示的実施形態において、記載される機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはそれらの任意の組み合わせで実装されてよい。ソフトウェアで実装された場合、機能は、コンピュータ可読媒体上の１つ以上の命令またはコードとして記憶または伝送されてよい。コンピュータ可読媒体は、一箇所から別の箇所へのコンピュータプログラムの伝送を促進する任意の媒体を含むコンピュータ記憶媒体および通信媒体両方を含む。記憶媒体は、汎用または専用コンピュータによってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であってよい。例として、そのようなコンピュータ可読媒体は、限定はしないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭまたは他の光学ディスク記憶体、磁気ディスク記憶または他の磁気記憶装置、あるいは、命令もしくはデータ構造の形式で所要のプログラムコード手段を搬送または記憶するのに用いることができ、汎用もしくは専用コンピュータまたは汎用もしくは専用プロセッサによってアクセスされ得る任意の他の媒体を含み得る。さらに、あらゆる接続が、正式にコンピュータ可読媒体と呼ばれる。例えば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、デジタルサブスクライバライン（ＤＳＬ）、または赤外、ラジオ、およびマイクロ波などの無線技術を用いてウェブサイト、サーバ、または他のリモートソースから伝送される場合、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、または赤外、ラジオおよびマイクロ波などの無線技術は媒体の定義に含まれる。ディスク（ｄｉｓｋ）およびディスク（ｄｉｓｃ）は、本明細書で用いられる場合、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザディスク、光学ディスク、デジタル万能ディスク（ＤＶＤ）、フロッピー（登録商標）ディスクおよびブルーレイディスクを含み、ディスク（ｄｉｓｋ）は、通常、データを磁気的に再生するが、ディスク（ｄｉｓｃ）は、レーザーでデータを光学的に再生する。上記のものの組み合わせも、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるものとする。
ある特定の実施形態を、説明目的で上記で説明したが、本特許明細書の教示は一般的な適用性を有し、上記の特定の実施形態に限定されない。したがって、説明された実施形態の種々の特徴の種々の変形、適応、および種々の組み合わせが、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱せずに実施され得る。

Claims (31)

  1. Ｘ線スキャトロメトリベースの計測システムであって、
    半導体ウェハ上に部分的に作製済みの１つ以上の構造を含む測定スポットに向けてある量のＸ線照明光を提供するように構成されたＸ線照明源と、
    前記ある量のＸ線照明光に応答して前記半導体ウェハから反射した、または前記半導体ウェハを透過したある量のＸ線光を検出するように構成された検出器と、
    前記部分的に作製済みの１つ以上の構造に関連する１つ以上の関心パラメータの値を、前記検出されたある量のＸ線光に基づいて決定し、
    前記１つ以上の関心パラメータの値の指標を作製ツールに通信し、それが、前記作製ツールに、前記作製ツールの１つ以上のプロセス制御パラメータの値を調整させる、ように構成されたコンピュータシステムと、
    を備え、
    前記半導体ウェハ上に部分的に作製済みの前記１つ以上の構造が少なくとも部分的に前記作製ツールによって作製されたものであり、
    前記１つ以上の構造は、三次元ＮＡＮＤ構造またはダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）構造を含む、
    Ｘ線スキャトロメトリベースの計測システム。
  2. 前記Ｘ線照明源は、前記作製ツールが前記１つ以上の構造を作製している間に、前記ある量のＸ線照明光を提供し、前記検出器は前記ある量のＸ線光を検出する、請求項１に記載のＸ線スキャトロメトリベースの計測システム。
  3. 前記１つ以上のプロセス制御パラメータの値の調整は、前記作製ツールが前記１つ以上の構造を作製している間に行われる、請求項２に記載のＸ線スキャトロメトリベースの計測システム。
  4. 前記Ｘ線照明源および前記検出器は、半導体作製システムの一環として前記作製ツールに一体化されている、請求項２に記載のＸ線スキャトロメトリベースの計測システム。
  5. 前記作製ツールは作製プロセス環境を備えた作製プロセスチャンバを備え、前記半導体ウェハは前記作製プロセスチャンバ内に配置され、プロセスインターバル中に前記作製プロセス環境に露出され、前記Ｘ線照明源は前記ある量のＸ線照明光を提供し、前記検出器は前記プロセスインターバル中に前記ある量のＸ線光を検出する、請求項４に記載のＸ線スキャトロメトリベースの計測システム。
  6. 前記Ｘ線照明源は、前記作製ツールが作製ステップを完了した後で前記ある量のＸ線照明光を提供し、前記検出器は前記ある量のＸ線光を検出する、請求項１に記載のＸ線スキャトロメトリベースの計測システム。
  7. 前記１つ以上の関心パラメータの値は第１のプロセスステップで決定され、前記作製ツールに通信された前記１つ以上の関心パラメータの値の指標は、前記作製ツールに、前記１つ以上の構造の作製プロセスフローにおける前記第１のプロセスステップに後続する第２のプロセスステップにて、前記作製ツールの１つ以上のプロセス制御パラメータの値を調整させる、請求項１に記載のＸ線スキャトロメトリベースの計測システム。
  8. 前記１つ以上の関心パラメータの値は前記１つ以上の構造の作製プロセスフローにおけるプロセスステップで決定され、前記作製ツールに通信された前記１つ以上の関心パラメータの値の指標は、前記作製ツールに、前記プロセスステップにて前記作製ツールの１つ以上のプロセス制御パラメータの値を調整させる、請求項１に記載のＸ線スキャトロメトリベースの計測システム。
  9. 前記作製ツールの１つ以上のプロセス制御パラメータの値は、エッチングプロセス、堆積プロセスおよびリソグラフィープロセスのうちいずれかを制御する、請求項１に記載のＸ線スキャトロメトリベースの計測システム。
  10. 前記ある量のＸ線照明光は前記測定スポットに、複数の入射角、方位角、またはそれら両方で向けられる、請求項１に記載のＸ線スキャトロメトリベースの計測システム。
  11. 前記Ｘ線照明源はさらに、測定スポットに向けられる前記ある量のＸ線照明光を、複数の異なるエネルギーレベルで提供するように構成されている、請求項１に記載のＸ線スキャトロメトリベースの計測システム。
  12. 前記１つ以上の関心パラメータの値を決定することは、モデルベースの測定モデル、訓練された信号応答計測（ＳＲＭ）測定モデル、またはトモグラフィック測定モデルに基づいている、請求項１に記載のＸ線スキャトロメトリベースの計測システム。
  13. ウェハ処理システムであって、
    半導体ウェハ上の１つ以上の構造を、作製プロセスフローの第１のプロセスステップで処理するように構成されたウェハ処理ツールと、
    Ｘ線スキャトロメトリベースの計測システムと、
    を備え、
    前記Ｘ線スキャトロメトリベースの計測システムが、
    １つ以上の構造を含む測定スポットに向けられたある量のＸ線照明光を、前記第１のプロセスステップで提供するように構成されたＸ線照明源と、
    前記ある量のＸ線照明光に応答して前記半導体ウェハから反射した、または前記半導体ウェハを透過したある量のＸ線光を検出するように構成された検出器と、
    １つ以上の構造に関連する１つ以上の関心パラメータの値を、前記検出されたある量のＸ線光に基づいて決定し、
    前記１つ以上の関心パラメータの値の指標を前記ウェハ処理ツールに通信し、それが、前記ウェハ処理ツールに、前記ウェハ処理ツールの１つ以上のプロセス制御パラメータの値を調整させる、ように構成されたコンピュータシステムと、
    を含み、
    前記１つ以上の構造は、三次元ＮＡＮＤ構造またはダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）構造を含む、
    ウェハ処理システム。
  14. 前記ウェハ処理ツールは、エッチングプロセス、堆積プロセスおよびリソグラフィープロセスのうちいずれかである、請求項１３に記載のウェハ処理システム。
  15. 前記ある量のＸ線照明光は前記測定スポットに、複数の入射角、方位角、またはそれら両方で向けられる、請求項１３に記載のウェハ処理システム。
  16. 前記Ｘ線照明源はさらに、測定スポットに向けられる前記ある量のＸ線照明光を、複数の異なるエネルギーレベルで提供するように構成されている、請求項１３に記載のウェハ処理システム。
  17. 前記ウェハ処理ツールが前記第１のプロセスステップを実行している間に、前記Ｘ線照明源は前記ある量のＸ線照明光を提供し、前記検出器は前記ある量のＸ線光を検出する、請求項１３に記載のウェハ処理システム。
  18. 前記１つ以上のプロセス制御パラメータの値の調整は、前記ウェハ処理ツールが前記第１のプロセスステップを実行している間に行われる、請求項１３に記載のウェハ処理システム。
  19. 前記ウェハ処理ツールは作製プロセス環境を備えた作製プロセスチャンバを備え、前記半導体ウェハは前記作製プロセスチャンバ内に配置され、プロセスインターバル中に前記作製プロセス環境に露出され、前記プロセスインターバル中に前記Ｘ線照明源は前記ある量のＸ線照明光を提供し、前記検出器は前記ある量のＸ線光を検出する、請求項１３に記載のウェハ処理システム。
  20. 前記ウェハ処理ツールが前記第１のプロセスステップを実行した後で、前記Ｘ線照明源は前記ある量のＸ線照明光を提供し、前記検出器は前記ある量のＸ線光を検出する、請求項１３に記載のウェハ処理システム。
  21. 前記１つ以上の関心パラメータの値は前記第１のプロセスステップで決定され、前記ウェハ処理ツールに通信された前記１つ以上の関心パラメータの値の指標は、前記ウェハ処理ツールに、前記１つ以上の構造の作製プロセスフローにおける前記第１のプロセスステップに後続する第２のプロセスステップにて、前記ウェハ処理ツールの前記１つ以上のプロセス制御パラメータの値を調整させる、請求項１３に記載のウェハ処理システム。
  22. 前記１つ以上の関心パラメータの値は前記第１のプロセスステップで決定され、前記ウェハ処理ツールに通信された前記１つ以上の関心パラメータの値の指標は、前記ウェハ処理ツールに、前記第１のプロセスステップにて前記ウェハ処理ツールの前記１つ以上のプロセス制御パラメータの値を調整させる、請求項１３に記載のウェハ処理システム。
  23. 前記１つ以上の関心パラメータの値を決定することは、モデルベースの測定モデル、訓練された信号応答計測（ＳＲＭ）測定モデル、またはトモグラフィック測定モデルに基づいている、請求項１３に記載のウェハ処理システム。
  24. 半導体ウェハ上に部分的に作製済みの１つ以上の構造を含む測定スポットに向けてある量のＸ線照明光を提供することと、
    前記ある量のＸ線照明光に応答して前記半導体ウェハから反射した、または前記半導体ウェハを透過したある量のＸ線光を検出することと、
    前記部分的に作製済みの１つ以上の構造に関連する１つ以上の関心パラメータの値を、前記検出されたある量のＸ線光に基づいて決定することと、
    前記１つ以上の関心パラメータの値の指標を作製ツールに通信し、それが、前記作製ツールに、前記作製ツールの１つ以上のプロセス制御パラメータの値を調整させることと、を含む、
    前記１つ以上の構造は、三次元ＮＡＮＤ構造またはダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）構造を含む、
    方法。
  25. 前記作製ツールが前記１つ以上の構造を作製している間に、前記ある量のＸ線照明光が前記測定スポットに提供され、前記ある量のＸ線光が検出される、請求項２４に記載の方法。
  26. 前記１つ以上のプロセス制御パラメータの値の調整は、前記作製ツールが前記１つ以上の構造を作製している間に行われる、請求項２４に記載の方法。
  27. プロセスインターバル中に作製プロセスチャンバ内の作製プロセス環境に前記半導体ウェハを露出させることをさらに含み、
    前記プロセスインターバル中に、前記ある量のＸ線照明光が前記測定スポットに提供され、前記ある量のＸ線光が検出される、請求項２４に記載の方法。
  28. 前記作製ツールが作製プロセスフローにおけるステップを前記半導体ウェハに実行した後で、前記ある量のＸ線照明光が前記測定スポットに提供され、前記ある量のＸ線光が検出される、請求項２４に記載の方法。
  29. 前記１つ以上の関心パラメータの値は作製プロセスフローにおける第１のプロセスステップで決定され、前記作製ツールに通信された前記１つ以上の関心パラメータの値の指標は、前記作製ツールに、前記作製プロセスフローにおける前記第１のプロセスステップに後続する第２のプロセスステップにて、前記作製ツールの１つ以上のプロセス制御パラメータの値を調整させる、請求項２４に記載の方法。
  30. 前記１つ以上の関心パラメータの値は前記１つ以上の構造の作製プロセスフローにおけるプロセスステップで決定され、前記作製ツールに通信された前記１つ以上の関心パラメータの値の指標は、前記作製ツールに、前記プロセスステップにて前記作製ツールの１つ以上のプロセス制御パラメータの値を調整させる、請求項２４に記載の方法。
  31. Ｘ線スキャトロメトリベースの計測システムであって、
    作製プロセスフローにおける第１のプロセスステップで半導体ウェハ上に部分的に作製済みの１つ以上の構造を含む測定スポットに向けてある量のＸ線照明光を提供するように構成されたＸ線照明源と、
    前記ある量のＸ線照明光に応答して前記半導体ウェハから反射した、または前記半導体ウェハを透過したある量のＸ線光を検出するように構成された検出器と、
    １つ以上のプロセッサによって実行されたとき、前記１つ以上のプロセッサに、
    前記１つ以上の構造に関連する１つ以上の関心パラメータの値を、前記検出されたある量のＸ線光に基づいて決定させ、
    前記１つ以上の関心パラメータの値の指標をウェハ処理ツールに通信させ、それが、前記ウェハ処理ツールに、前記ウェハ処理ツールの１つ以上のプロセス制御パラメータの値を調整させる、
    命令を記憶した非一時的なコンピュータ可読媒体と、
    を備え、
    前記１つ以上の構造は、三次元ＮＡＮＤ構造またはダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）構造を含む、
    Ｘ線スキャトロメトリベースの計測システム。
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