KR20240026162A - 엑스선 산란계를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

엑스선 산란계를 위한 방법은 시료로부터 산란된 엑스선 빔의 제1 분포를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 제1 분포는 기준축에 대해 비대칭을 나타낸다. 상기 제1 분포는 상기 제1 분포에 대해 상기 비대칭의 레벨이 감소되는 제2 분포를 산출하도록 상기 제1 분포를 보정한다. 상기 시료의 하나 이상의 파라미터는 상기 제2 분포에 기초하여 추정된다.

Description

엑스선 산란계를 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR X-RAY SCATTEROMETRY}
본 발명은 일반적으로 엑스선 분석에 관한 것이고, 특히 엑스선 신호의 포착을 개선하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
엑스선 산란계 기술은 반도체 디바이스의 기하학적 구조를 알아내기 위해 사용된다. 예를 들어, 여기에 언급되어 통합된 미국 특허 출원 공개 2015/0369759는 축 둘레로 회전하는 소스-마운트, 및 이러한 축에 직교하는 빔 축을 따라 제1 및 제2 각도에서 시료에 충돌하도록 제1 및 제2 엑스선의 입사 빔을 지향시키는, 소스-마운트 위의 엑스선 소스를 포함하는 장치를 기술하고 있다. 검출기-마운트 위의 엑스선 검출기는 제1 및 제2 입사 빔에 응답하여 상기 시료를 투과한 엑스선의 제1 및 제2 회절 빔을 수신하고, 이러한 수신된 제1 및 제2 회절 빔에 응답하여, 각각 제1 및 제2 신호를 출력한다. 이러한 제1 및 제2 신호를 프로세서가 분석하여, 측정된 시료의 표면의 프로파일을 알아낸다.
여기에 기술된 본 발명의 실시예는 시료로부터 산란된 엑스선 빔의 제1 분포를 수신하는 단계를 포함하는 엑스선 산란계를 위한 방법을 제공한다. 상기 제1 분포는 기준축에 대해 비대칭을 나타낸다. 상기 제1 분포에 대해 상기 비대칭의 레벨이 감소된 제2 분포를 산출하도록 상기 제1 분포를 보정한다. 상기 제2 분포에 기초하여 상기 시료의 하나 이상의 파라미터가 추정된다.
일부 실시예에서, 상기 기준축은 상기 시료에 수직이다. 하나의 실시예에서, 상기 보정하는 단계는 상기 기준축의 양측의 상응하는 각거리에 위치된 제1 분포의 강도를 평균하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 제1 분포를 수신하는 단계는 입사 엑스선 빔에 대해 각각의 제1 및 제2 방향에 상기 시료를 위치지정함으로써 얻어진, 제1 분포의 적어도 제1 버전 및 제2 버전을 수신하는 단계를 포함하고, 상기 보정하는 단계는 상기 제2 분포로서 기능하도록, 상기 비대칭의 최저 레벨을 갖는, 상기 제1 분포의 버전을 선택하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 보정하는 단계는 상기 기준축에 대한 비대칭 보정 함수를 상기 제1 분포에 적용하는 단계를 포함한다. 하나의 실시예에서, 상기 제1 분포의 비대칭은 백그라운드 신호에 의해 유발되고, 상기 보정 함수는 상기 백그라운드 신호를 보상하도록 적용된 실험적 보정에 기초한다. 다른 실시예에서, 상기 보정 함수는 계산 모델에 기초한다.
일부 실시예에서, 상기 파라미터를 수정하는 단계는 상기 시료 위의 특징부의 치수를 측정하는 단계를 포함한다. 추가로 또는 대안으로, 상기 파라미터를 추정하는 단계는 상기 시료 위의 특징부 사이의 거리를 측정하는 단계를 포함한다. 하나의 실시예에서, 상기 제1 분포는 상기 엑스선 빔에 일부 불투명한 빔 스토퍼(beam stopper)가 상기 엑스선 빔에 배치되어 있는 동안 얻어지고, 상기 방법은 상기 제1 분포에 기초하여 상기 엑스선 빔의 각위치 또는 강도를 보정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라, 인터페이스 및 프로세서를 포함하는 엑스선 산란계를 위한 장치가 추가로 제공된다. 상기 인터페이스는 시료로부터 산란된 엑스선 빔의 제1 분포를 수신하도록 구성되어 있다. 상기 제1 분포는 기준축에 대해 비대칭을 나타낸다. 상기 프로세서는 상기 비대칭의 레벨이 상기 제1 분포에 대해 감소되는 제2 분포를 산출하기 위해 상기 제1 분포를 보정하고, 상기 제2 분포에 기초하여 상기 시료의 하나 이상의 파라미터를 추정하도록 구성되어 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 프로그램 명령어가 저장된 비임시 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 컴퓨터 소프트웨어 제품에 있어서, 상기 명령어는 프로세서에 의해 판독될 때, 상기 프로세서가, 시료로부터 산란되고 기준축에 대해 비대칭을 나타내는, 엑스선 빔의 제1 분포를 수신하도록 하고; 상기 제1 분포에 대해 상기 비대칭의 레벨이 감소된 제2 분포를 산출하도록 상기 제1 분포를 보정하도록 하고; 상기 제2 분포에 기초하여 상기 시료의 하나 이상의 파라미터를 추정하도록 하는 컴퓨터 소프트웨어 제품이 제공되어 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 엑스선 소스, 검출기 어셈블리 및 엑스선 빔 스토퍼를 포함하는 시스템이 제공되어 있다. 상기 엑스선 소스는 시료에 엑스선 빔을 지향시키도록 구성되어 있다. 상기 검출기 어셈블리는 상기 시료를 통해 투과되고 상기 시료로부터 산란된 하나 이상의 엑스선 빔을 검출하도록 구성되어 있다. 상기 엑스선 빔 스토퍼는 엑스선에 일부분만 불투명하고, 상기 시료와 검출기 어셈블리 사이에 위치되어 있고, 엑스선 빔 스토퍼 위에 충돌하는 하나 이상의 엑스선 빔의 강도를 일부 차단하고 일부 투과하도록 구성되어 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 엑스선 소스, 검출기 어셈블리 및 엑스선 빔 스토퍼를 포함하는 시스템이 제공되어 있다. 상기 엑스선 소스는 시료에 엑스선 빔을 지향시키도록 구성되어 있다. 상기 검출기 어셈블리는 일정 각도 범위에서 상기 시료를 통해 투과되고 상기 시료로부터 산란된 하나 이상의 엑스선 빔을 검출하도록 구성되고, 상기 검출된 엑스선 빔에 응답하여 각각의 전기 신호를 산출하도록 구성되어 있다. 상기 엑스선 빔 스토퍼는 상기 시료와 검출기 어셈블리 사이에 위치되어 있고 구성가능한 유효 폭을 갖고 있고, 상기 구성가능한 유효 폭에 따라, 상기 각도 범위의 구성가능한 부분 섹터에서 상기 엑스선 빔의 강도를 적어도 일부 차단하도록 구성되어 있다.
하나의 실시예에서, 상기 엑스선 빔 스토퍼는 상기 유효 폭을 설정하도록 서로에 대해 이동가능한 제1 및 제2 빔 스토핑 부재를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 엑스선 빔 스토퍼는 상기 유효 폭을 설정하도록 축에 대해 회전가능하도록 구성된 회전가능 빔 스토핑 부재를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 엑스선 빔 스토퍼는 상이한 유효 폭을 갖는 2개 이상의 빔 스토핑 부재를 포함하고, 상기 시스템은 스테이지를 포함하고 있고, 상기 스테이지는 상기 스토핑 부재가 위에 장착되어 있고, 상기 시료와 상기 검출기 어셈블리 사이에서 선택 빔 스토핑 부재를 위치지정함으로써 상기 유효 폭을 설정하도록 구성되어 있다.
본 발명은 다음의 도면과 이어지는 실시예의 상세한 설명을 통해 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소각 엑스선 산란(SAXS) 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 높은 종횡비(HAR) 구멍이 형성되고 엑스선이 웨이퍼 및 구멍으로부터 산란되는 웨이퍼의 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 엑스선 빔의 입사각의 함수로서, 웨이퍼로부터 산란된 엑스선 광자의 강도 분포를 개략적으로 도시한 2차원(2D) 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, HAR 구멍이 형성되어 있고 엑스선이 웨이퍼 및 구멍으로부터 산란되는 웨이퍼의 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 반사된 엑스선 빔의 산란각(2θ)의 함수로서의 엑스선 광자의 강도 분포의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 빔-스토퍼의 불투명도와 반사된 엑스선 빔의 산란각의 함수로서의, 엑스선 광자의 강도 분포의 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 빔 스토퍼의 조정가능한 유효 폭의 2개의 세팅의 개략 단면도이다.
산란계 기술은 다양한 타입의 반도체 장치 및 검사 구조에 형성된 어레이의 특징부의 기하학적 치수를 측정하는데 사용될 수 있다. 소각 엑스선 산란법(SAXS)과 같은 엑스선 기술은 보통 수 옹스트롬 정도의 파장을 갖고 반도체 웨이퍼에 제조된 HAR 구멍 또는 트렌치와 같은 높은 종횡비(HAR) 특징부를 측정하기에 적절한 엑스선을 적용한다. 특징부의 기하학적 특성을 측정하는 것은 다수의 각도에서 시료로부터 산란된 엑스선의 강도의 분석에 기초하는 추정 기술을 사용하여 수행된다.
다음의 설명에서, 이해를 위해, 용어 "측정하다", "알아내다" 및 "추정하다"는 상호교환하여 사용된다. 또한, 용어 "트렌치" 및 "라인"은 상호교환되어 사용된다.
그러나, 일부 상황에서, 산란된 엑스선은 측정을 방해하고 측정 품질을 열화시키는, 깊은 구멍의 측벽으로부터 반사된 원치않는 엑스선 광자를 포함할 수 있다. 이러한 원치않는 반사된 빔의 정도 또는 강도는 보통 이러한 특징부의 종횡비와 함께 증가하여서, HAR 구멍은 측정하기 어렵다. 실제, 원치않는 반사는 시료에 수직인 축 또는 다른 기준축에 대해, SAXS 광자의 검출된 강도의 비대칭 분포로서 나타난다.
하술된 본 발명의 예는 측정된 강도 분포에서 비대칭을 유발하는 원치않는 엑스선 반사가 존재할 때 엑스선 산란계를 위한 개선된 방법 및 시스템을 제공한다. 개시된 기술은 측정된 엑스선 분포를 보정하여, 비대칭의 레벨이 감소된 보정된 분포를 생성한다. 후속 처리, 예를 들어, 이러한 분포로부터의 기하학적 특징부의 치수의 측정 또는 결정이 이러한 보정된 분포에 실행된다. 특히, 개시된 기술에 의해, 예를 들어, HAR 구멍의 측벽으로부터의 원치않는 엑스선 반사에 의해 유발된 비대칭을 감소시킴으로써 웨이퍼의 HAR 구멍을 정확하게 측정할 수 있다.
다양한 실시예에서, 비대칭 감소는 다양한 방법으로 실행될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 시료는 입사 엑스선 빔에 상대적인 2개 이상의 방향에서 측정된다. 예를 들어, 이러한 시료는 시료의 전측과 후측이 각각 입사 빔으로 향하도록 위치지정될 수 있다. 각각의 방향의 측정에 의해 각각의 비대칭 레벨을 갖는 시료로부터 산란된 엑스선 빔의 각각의 강도 분포를 얻을 수 있다. 이러한 분포가 최저 레벨의 비대칭을 나타내는 측정값을 선택함으로써 정확한 측정값이 얻어진다.
다른 실시예에서, 비대칭의 레벨은 기준 축의 각각의 측의 상응하는 강도 값을 평균함으로써 감소된다. 다른 실시예에서, 이러한 비대칭의 레벨은 측정된 강도 분포의 예상되는 비대칭을 보상하도록, 기준축에 대해 비대칭인, 실험적 또는 모델 기반 백그라운드 함수를 강도 분포에 적용함으로써 감소된다.
시스템 설명
도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 소각 엑스선 산란(SAXS) 시스템(20)의 개략도이다. 일부 실시예에서, 시스템(20)은 하술되는 바와 같이, 산란계 기술을 사용하여 시료 위의 특징부를 측정하도록 구성되어 있다.
일부 실시예에서, 이러한 시료는 웨이퍼(22)에 에칭되거나 그 위에 증착된 높은 종횡비(HAR) 특징부의 어레이를 갖는 반도체 웨이퍼(22)를 포함할 수 있다. 웨이퍼(22) 및 HAR 특징부의 단면도는 아래의 도 2 및 도 4에 도시되어 있다. 그러나, 일반적으로, 시스템(20)은 임의의 다른 적절한 특징부를 특정하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템(20)은 고전압 전원 유닛(PSU)(26)에 의해 구동되는, 엑스선 소스(24)와 같은, 여기 소스를 포함하고 있다. 일부 실시예에서, 소스(24)는 몰리브덴 (17 keV), 은 또는 인듐, 플럭스 및 각도 발산으로부터의 특성 Kα 방사선과 같은, 웨이퍼(22)를 관통하기에 적절한 에너지를 갖는 엑스선 빔을 방출한다. 이러한 엑스선 빔은 보통 적어도 하나의 방향으로, 1 밀리라디안(mrad) 미만의 각도 분해능으로 조준되고, 100㎛ 미만의 정도의 점의, 웨이퍼의 작은 영역(29)에 엑스선 빔을 적용하도록 크리스탈 또는 다층 미러와 같은 회절 소자, 슬릿과 같은, 개구를 포함할 수 있는 엑스선 광학부(28)를 통과한다.
하나의 실시예에서, 웨이퍼(22)는 웨이퍼(22)의 표면에 수직인 축에 대한 방위각 회전 Ｘ, 웨이퍼의 표면에 평행한 축에 대한 틸트 회전 ω을 적용하는 것은 물론, x 및 y 방향으로 엑스선 빔에 대해 웨이퍼(22)를 이동시킬 수 있는, x-y-Ｘ-ω 스테이지(40)와 같은, 가동 플랫폼에 장착되어 있다.
하나의 실시예에서, 스테이지(40)는 개방 프레임(즉, 중심에 아무런 재료도 갖지 않는다)으로서 설계되어 입사 빔(31)은 영역(29)의 웨이퍼(22)의 하면에 직접 충돌할 수 있다. 이러한 빔은 웨이퍼를 통과하고 웨이퍼(22)의 상면에 형성된 높은 종횡비(HAR) 특징부의 어레이로부터 산란된다.
일부 실시예에서, 입사 빔(31)은 임의의 적절한 각도로, 또는 웨이퍼(22)의 하면에 수직인 영역(29)에 충돌할 수 있다. 입사 빔(31)의 일부는 시료를 횡단하고 투과 빔(35)이 입사 빔의 동일한 방향으로 웨이퍼(22)의 상면을 나옴에 따라 흡수된다. 특징부의 어레이로부터 산란된 추가 빔(33)은 웨이퍼(22)의 상면에 대해 투과 빔(35)에 상이한 방향으로 나온다.
일부 실시예에서, 검출기 어셈블리(32)는 검출기 어셈블리(32) 위의 하나 이상의 영역(30)에 충돌하는 빔(33)의 엑스선 광자를 검출하도록 구성되어 있다. 하나의 실시예에서, 엑스선 불투명하거나 일부 불투명한 재료로부터 만들어진 빔-스토퍼(42)는 웨이퍼(22)와 어셈블리(32) 사이에 위치되어 있고, 검출기 어셈블리(32)를 조사하지 못하도록 빔(35)의 적어도 일부를 차단하도록 구성되어 있다. 빔-스토퍼(42)의 불투명도 레벨은 아래의 도 6에 도시된 바와 같이, 어셈블리(32)에 의해 생성된 신호에 영향을 준다. 빔-스토퍼(42)의 하나의 실시예가 아래의 도 7에 도시되어 있다.
일부 실시예에서, 어셈블리(32)는 영역(30) 둘레에 배치된 단일 검출기, 또는 검출기의 어레이를 포함할 수 있다. 이러한 빔 검출기는 2차원 (2D) 구성 또는 일차원 (1D) 구성을 가질 수 있고, 엑스선 광자를 계수할 수 있다. 어셈블리(32)는 편평하거나, 빔(33, 35)쪽으로 각진 원호와 같은 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다. 포착된 광자에 응답하여, 어셈블리(32)는 신호 처리 유닛(38)에 전달되는 전기 신호를 생성한다.
일부 실시예에서, 유닛(38)은 어셈블리(32)로부터 수신된 전기 신호를 처리하도록 구성된 프로세서(34), 및 어셈블리(32)와 프로세서(34) 사이에서 전기 신호를 통신하기 위한 인터페이스(36)를 포함하고 있다.
일부 실시예에서, 프로세서(34)는 어셈블리(32)의 검출기에 의해 포착된 엑스선 광자의 산란된 강도 분포를 알아내기 위해 어셈블리(32)로부터 데이터를 얻도록 구성되어 있다. 하나의 실시예에서, 프로세서(34)는 아래의 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 웨이퍼(22) 위의 기하학적 특징부의 치수를 추정하기 위해 (알아내기 위해) 하나 이상의 입사 빔 각도에서 측정된 강도 분포를 사용하도록 구성되어 있다. 이러한 실시예에서, 프로세서(34)는 측정된 강도 분포와 계산된 강도 분포 사이의 숫자의 차이를 최소화하기 위해, 자동으로 개선된 높이 및 폭과 같은 기하학적 파라미터를 갖는 특징부의 구조적 모델로부터의 강도 분포를 계산하도록 구성되어 있다. 도 2 및 도 4의 특징부가 단순한 형상을 도시하고 있지만, 보다 복잡한 형상이 적절한 기하학적 모델에 의해 기술될 수 있음을 이해할 수 있다. 인접한 특징부 사이의 거리(피치)와 같은, 어레이내의 특징부의 배치를 설명하는 추가 파라미터 역시 적절한 구조적 모델을 사용하여 알아낼 수 있다.
프로세서(34)는 보통 여기에 기술된 기능을 수행하도록 소프트웨어로 프로그램화된 범용 컴퓨터를 포함하고 있다. 이러한 소프트웨어는 예를 들어, 네트워크를 통해 전자 형태로 컴퓨터에 다운로드될 수 있거나, 대안으로 또는 추가로, 자기, 광, 또는 전자 메모리와 같은 비임시 접촉식 매체에 제공되고 및/또는 저장될 수 있다. 하나의 실시예에서, 이러한 소프트웨어는 데이터 획득 및 데이터 분석은 물론 검출기 어셈블리(32)를 제어하는 것과 같은 다수의 태스크를 수행하도록 구성되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(20)의 스테이지(40)는 웨이퍼(22) 위의 영역(29)을 검사하도록 이동될 수 있다. 대안의 실시예에서, 웨이퍼(22)는 엑스선 빔이 영역(29) 또는 웨이퍼(22) 위의 다른 희망의 위치를 스캔하도록, 소스(24), 광학부(28), 및 어셈블리(32)가 이동되는 동안 (스테이지(40) 대신에) 적절한 고정된 고정물에 장착되어 있다.
다른 실시예에서, 시스템(20)은 또한 반사, 및/또는 회절과 같이, 다른 메커니즘에 의해 웨이퍼(22)로부터 산란된 엑스선을 포착하고 처리하도록 구성될 수 있다. 이러한 종류의 다기능 시스템은 예를 들어, 여기에 언급되어 통합된 미국 특허 번호 6,381,303 및 6,895,075에 기술되어 있다.
도 1의 예는 엑스선 시스템의 특정 구성을 나타내고 있다. 그러나, 이러한 구성은 단지 개념 이해를 위해 선택된 것이다. 예를 들어, 시스템(20)은 스테이지(40)의 영역(29)으로의 항해를 돕기 위해 광학 현미경(도시되지 않음)과 같은 추가 모듈을 더 포함할 수 있다. 대안의 실시예에서, 개시된 기술은 다양한 다른 타입의 엑스선 시스템에서 필요한 부분만 약간 수정하여 사용될 수 있거나 임의의 적절한 여기 소스, 전력 소스, 포커싱 광학부 및 검출 시스템을 포함하는, 당업계에 알려진 분석 모듈이 여기에 기술된 방법을 구현하기 위해 사용될 수 있다.
높은 종횡비(HAR) 특징부로부터 산란된 광자의 획득
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 웨이퍼(22)의 HAR 특징부로부터 산란된 소각 엑스선 빔의 개략 단면도이다. 도 2는 양측에서 빔(31)이 상이한 각도로 웨이퍼(22)의 하면에 충돌하는, 웨이퍼(22)의 2개의 단면도이다.
일부 실시예에서, 웨이퍼(22)는 라인 또는 트렌치와 같은 각각의 2차원(2D) HAR 특징부 또는, 원형 또는 통 형상 구멍 또는 기둥과 같은, 3차원(3D) HAR 특징부의 어레이를 포함하고 있다. 여기에서, 용어 "종횡비"는 구멍(50)과 같은, 문제의 특징부의 깊이와 폭(예를 들어, 원형 구멍의 경우에 직경) 사이의 비를 가리킨다. 또한, 용어 "높은 종횡비(HAR)"는 보통 10 보다 높은 종횡비를 가리킨다.
도 2에 도시된 단면도는 이해를 위해 단순화되었다. 실제로, 구멍(50)은 도면에 도시된 것 보다 웨이퍼(22)의 전체 두께의 훨씬 더 작은 부분을 관통한다. 또한, 실제로 웨이퍼(22)는 보통 구멍(50)과 같은, 어레이 당 수백만의 각각의 2D 및/또는 3D 특징부의 큰 어레이를 포함하고 있다. SAXS는 아래에 상세하게 설명되는 바와 같이 어레이의 다수의 구멍(50)에 적용된다.
구멍(50)은 업계에 알려진 임의의 적절한 생산 기술을 사용하여, 수직 NAND 플래시 메모리와 같은 반도체 디바이스, 또는 finFET 게이트와 같은 3D 게이트를 생성하는데 사용될 수 있다. 수직 NAND 메모리의 예에서, 각각의 구멍은 100 nm 미만의 전형적인 직경 및 수 ㎛ 정도의 전형적인 깊이를 갖고 있다. finFET 게이트에서, 약 10-50 nm 범위의 폭을 갖는 HAR 라인은 구멍(50) 대신에 사용될 수 있다. 또한, 개시된 기술은 반도체에 제한되지 않는, 적절한 치수를 갖는 임의의 디바이스의 임의의 HAR 특징부를 측정하는데 사용될 수 있다.
도 2의 예에서, 웨이퍼(22)의 전면(상면)은 양측 단면도에서 검출기 어셈블리(32)를 향하고 있다. 이러한 웨이퍼의 전면은 구멍(50)과 같은, 측정되는 특징부를 포함하는 웨이퍼 사이드로서 규정된다.
이제 도 2의 좌측 단면에 대해 설명한다. 입사 빔(31)은 거의 직각으로 웨이퍼(22)의 후면에 충돌한다. 산란된 엑스선 빔(37)은 위의 도 1에 도시된 빔(33, 350과 같이, 비산란된 광자는 물론, 소각 산란된 광자를 포함하고 있다. 하나의 실시예에서, 빔(37)은 프로세서(34)에 의해 처리되는 전기 SAXS 신호를 생성하는 검출기 어셈블리(32)에 충돌한다. 일부 실시예에서, 하부 임계 치수(CD)로도 부르는, 구멍(50)의 하부의 표면(43)의 직경, 표면(43)에 대한 측벽(41)의 각도 또는 프로파일, 이웃 구멍(50) 사이의 거리, 및/또는 특징부의 형상을 기술하는데 필요한 임의의 다른 적절한 치수와 같은, 구멍(50)의 하나 이상의 기하학적 속성을 추정하기 위해 SAXS 신호를 처리한다.
이제 도 2의 우측 단면도에 대해 설명한다. 이러한 경우에, 입사 빔(31)은 사각으로 웨이퍼(22)의 후면에 충돌한다. 그 결과, 빔(37)의 일부는 구멍(50)의 측벽(41)에 충돌하고 빔(39)으로서 측벽으로부터 반사한다. 이러한 예에서, 어셈블리(32)는 양측 빔(37)과 빔(39)에 속한 광자를 검출하고 상응하는 전기 신호를 프로세서(34)에서 생성한다.
프로세서(34)에 의해 수신된 신호는 산란 특징부의 어레이에 상응하는 원하는 신호와, 예를 들어, 구멍(50)의 측벽(41)으로부터의 스펙트럼 반사에 의해 유발된 고유의 원치않는 백그라운드 신호를 포함하고 있다. 빔(31)이 예를 들어, 1도의 1/10 정도의, 사용되는 엑스선 파장의 전체 외부 반사에 대한 임계각과 유사한 각도에서 구멍(50)의 측벽에 입사될 때, 이러한 원치않는 스펙트럼 반사의 강도는 원하는 SAXS와 비교가능할 수 있다. 따라서, 높은 정확도 및 정밀도를 갖는 측정값을 얻기 위해 원치않는 신호의 영향을 고려하는 것이 중요하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 빔(31)의 입사각의 함수로서, 웨이퍼(22)로부터 산란된 엑스선 광자의 강도 분포를 개략적으로 도시하는, 2차원(2D) 윤곽선 그래프(52)이다. 본 예에서, 그래프(52)는 빔(31)의 다양한 입사각에서, 어셈블리(32)에 의해 검출되는 빔(37, 39)의 엑스선 광자의 강도를 보여주고 있다. 그래프(52)의 상이한 회색 레벨은 보다 밝은 레벨이 보다 높은 강도에 상응하고 보다 어두운 레벨이 보다 낮은 강도에 상응하는, 엑스선 광자의 상이한 강도 레벨을 나타낸다.
그래프(52)의 수직축은 웨이퍼(22)의 평면에 수직에 대한 각도로 측정되고 -1°와 1° 사이의 범위를 갖는, 빔(31)의 입사각 Ω에 상응한다. 주어진 입사각 Ω에 대해, 그래프의 수평축은 산란각 2θ의 함수로서 엑스선 광자의 강도를 보여주고 있다. 이러한 산란각은 어셈블리(32)의 표면에 대해 밀리라디안(mrad)으로 측정된다.
도 2의 예에서, (보통 산란계 기술이 적용되는) 실리콘 웨이퍼의 구멍(50)의 주기적 어레이로부터의 산란 빔(37) 및 반사 빔(39)의 측정된 엑스선 강도의 합은 로그 강도 스케일의 임의 단위를 사용하여, 회색 레벨로 그래프(52) 위에 윤관석으로 도시되어 있다.
그래프(52)는 그래프의 좌우측 사이를 분리하는 대칭축(54)을 포함하고 있다. 축(54)은 여기에서 기준축으로도 부른다. 이러한 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 강도 분포의 좌우 윤곽 점들 사이에 뚜렷한 비대칭이 존재한다. 발명자는 이러한 비대칭이 구멍(50)의 측벽(41)으로부터의 반사된 빔(39)의 스펙트럼 반사의 분포에 의해 유발된다는 것을 발견하였다.
HAR 특징부로부터의 스펙트럼 반사에 의해 유발된 강도 분포의 대칭성 개선
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 웨이퍼(22)의 구멍(50)으로부터 산란된 엑스선 빔의 개략 단면도이다. 도 4는 양측이 웨이퍼(22)의 표면에 대해 거의 유사한 빔(31)의 입사각을 보여주는, 웨이퍼(22)의 2개의 단면도를 포함하고 있다.
이러한 실시예에서, 시스템(20)은 한 번은 도 4의 우측에 도시된 구성을 사용하여, 그리고 한 번은 도면의 좌측에 도시된 구성을 사용하여, 2번 엑스선 강도를 측정한다.
좌측 단면도에서, 웨이퍼(22)는 상기 도 2의 우측 구성과 유사하게 위치지정되어 있다. 위에서 도시된 바와 같이, 이러한 기하학 구조는 구멍(50)의 측벽으로부터 강한 스펙트럼 반사를 가져, SAXS 강도 분포에서 상당한 비대칭을 나타내는 특징이 있다.
한편, 우측 단면도에서, 웨이퍼(22)는 뒤집어져 상면이 소스(24)를 향하고 하면이 검출기 어셈블리(32)를 향한다. 이러한 배치에서, 입사 빔(31)의 제1 부분은 측벽(41)에 충돌하여 빔(49)은 그로부터 반사되고 웨이퍼(22)의 벌크(45)를 관통한 후에 어셈블리(32)의 표면으로부터 방출된다. 입사 빔(31)의 제2 부분은 (측벽(41)과 상호작용함 없이) 표면(43)에 직접 충돌하고, 빔(47)으로서 웨이퍼(22)의 후측으로부터 산란되어 어셈블리(32)의 표면에 충돌한다.
일부 실시예에서, 웨이퍼(22)를 뒤집음으로써, 빔(49)은 빔(49)의 강도를 약화시켜, 어셈블리(32)에 의해 검출된 전체 강도에 대한 빔(49)의 용량을 감소시킴으로써 윤곽도의 대칭성을 개선하는 벌크(45)를 통과해야 한다.
따라서, 본 실시예에서 프로세서(34)는 하나가 도 4의 좌측에 도시된 구성을 사용하여 획득되고 하나가 이러한 도면의 우측에 도시된 뒤집힌 웨이퍼에 의해 획득되는 2개의 엑스선 강도 분포를 수신한다. 프로세서(34)는 보정된 분포로서 최저 레벨의 비대칭을 갖는 강도 분포를 선택한다. 다른 실시예에서, 운전자(도시되지 않음)는 도 4에 제공된 구성으로부터 적절한 구성을 수동으로 선택할 수 있고, 이러한 선택된 구성을 하나 이상의 유사한 기재의 후속 측정에 적용할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 운전자는 유사한 기재의 후속 측정에서 프로세서(34)에 의해 선택된 구성만을 적용할 수 있다.
대안의 실시예에서, 이러한 2개의 분포는 반드시 웨이퍼를 뒤집음으로써 (예를 들어, 180도) 얻어지는 것이 아니고, 오히려 다른 적절한 각도에 의해 얻어진다. 즉, 최저 비대칭성은 웨이퍼(22)의 후측면이 선택된 각도로 빔(31)으로 향하도록 웨이퍼(22)를 위치지정함으로써 얻을 수 있다. 하나의 실시예에서, 빔(31)에 대한 웨이퍼(22)의 위치 및 방향은 적용에 따라 다를 수 있다. 적용의 예는 아래에 나열되어 있지만, 이러한 예와 다른 예는 HAR 특징부의 타입(구멍 또는 트렌치), HAR 특징부의 폭/직경 및 깊이, 이러한 HAR 특징부가 웨이퍼의 표면에 대해 경사져 있는지 여부, 웨이퍼의 타입(예를 들어, 실리콘, 게르마늄, 화합물 반도체), 웨이퍼 위에 증착된 재료, HAR 특징부의 어레이의 밀도, 및 빔(31)의 강도에 제한되지 않는다. 또한, 일부 실시예에서, 프로세서(34)는 상이한 각도에서 얻은 2개 보다 많은 후보 분포중에서, 최저 레벨의 비대칭성을 갖는 강도 분포를 선택할 수 있다.
도 5는 산란각의 함수로서 엑스선 광자의 강도 분포를 보여주는 그래프(56)이다. 곡선 58은 웨이퍼(22)의 하면이 입사빔을 향하는, 도 4의 좌측에 도시된 구성을 사용하여 얻은 강도 분포를 보여주고 있다. 곡선 60은 웨이퍼의 상면이 입사빔으로 향하도록 웨이퍼(22)가 뒤집어진, 도 4의 우측에 도시된 구성을 사용하여 얻은 강도 분포를 보여주고 있다.
도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 곡선 58은 곡선 60 보다 기준축(2θ=0)에 대해 보다 높은 정도의 비대칭성을 갖고 있다. 따라서, 이러한 예에서, 프로세서(34)는 곡선 60을 보정된 강도 분포로서 선택할 것이다.
하나의 실시예에서, (예를 들어, 도 4의 우측 단면도에서) 웨이퍼(22)의 하면에 대해 빔(31)의 최적 입사각(예를 들어, -0.35도)을 적용함으로써 트레이스 58에서 개선된 대칭성을 얻을 수 있다.
하나의 실시예에서, 이러한 대칭 레벨은 선택된 입사각, 예를 들어, 이러한 예에서 2θ=0 또는 -0.35 mrad의 개선된 입사각으로부터 동일한 각거리를 (예를 들어, mrad로) 측정함으로써 추정된다.
대안의 실시예에서, 프로세서(34)는 기준축의 좌우측에 대해 동일한 각거리에서 얻어진 측정 강도를 평균함으로써 획득 강도 분포에서 비대칭성의 레벨을 줄인다. 예를 들어, 이러한 비대칭성을 보정하기 전에, 선택된 각도로부터 2 mrad의 각거리에서, 트레이스 60의 좌측(예를 들어, -2.35 mrad)의 측정 강도는 약 1.8 임의의 단위(AU)이고, 우측에서(예를 들어, +1.65 mrad), 측정 강도는 약 2.0 AU이다. 이러한 측정 강도를 양측에서 약 1.9로 평균함으로써, 트레이스 60의 비대칭성은 (예를 들어) 상당히 감소될 수 있다.
다른 실시예에서, 프로세서(34)는 2D 강도 분포도(예를 들어, 상기 도 3)의 비대칭성을 줄이기 위해 상기 평균 기술을 적용한다. 이러한 실시예에서, 프로세서(34)는 동일한 입사각 Ω에 대해, 축(54)의 좌우에 대해 상응하는 각거리 2θ에 위치된 강도 값을 평균할 수 있다.
일부 실시예에서, 이러한 비대칭성은 어셈블리(32)에 빔(31)의 각도에 대해 비대칭성을 갖고, 측정 강도에 대해 빔(39, 49)의 정반사성의 영향을 고려하는, 모델기반 백그라운드 함수를 적용함으로써 또는 실험적 모델을 사용함으로써 더 줄일 수 있다.
일부 실시예에서, 아래 등식 (1)은 실험적 모델을 표현하고 있다.
여기에서 는 산란각 에서의 백그라운드이다.
B0는 전체 스펙트럼에 공통인 일정한 백그라운드 레벨이다.
및 는 각각 스펙트럼의 좌측(L) 및 우측(R) 날개를 위한 백그라운드의 형상을 기술한 계수이다.
일부-불투명한 빔-스토퍼를 사용한 보정
일부 실시예에서, 프로세서(34)는 기기 드리프트를 식별하고 보상하기 위해, 엑스선 빔의 중심의 강도 및/또는 각위치를 추정하고 추적하도록 측정 강도 분포를 사용한다. 이러한 드리프트는 예를 들어, 엑스선 소스(24)의 원치않는 열 팽창 또는 에이징으로 인해 발전할 수 있다.
엑스선 빔의 중심의 각위치에 대한 엄격한 제어가 일반적으로 필요하고 이로 인해 예를 들어, 산란 빔(예를 들어, 도 4의 빔(47, 49)의 검출의 최적화가 가능하여, 상술된 바와 같이 산란 강도 분포의 비대칭성을 줄일 수 있다.
일부 실시예에서, 빔 스토퍼(42, 도 1 참조)는 빔의 중심에서 엑스선 방사선을 약화시키도록 위치지정되어 있다. 이러한 약화는 예를 들어, 검출기(32)의 손상을 방지하고 및/또는 검출기가 비선형 구역에서 포화하고 동작하는 것을 방지하기 위해 필요하다. 한편, 너무 큰 약화는 프로세서(34)가 빔의 중심의 각위치 및 강도를 추적하지 못하도록 할 것이다.
따라서, 일부 실시예에서, 빔-스토퍼(42)는 엑스선 부분-불투명 재료로 만들어져 있다. 빔-스토퍼(42)의 약화는 빔(35)의 각위치 및 강도의 신뢰할만한 측정을 가능하게 하고, 동시에 검출기 어셈블리(32)의 손상 및 비선형 왜곡을 방지하기 위해 선택된다.
빔-스토퍼(42)의 감쇠 인자는 보통, 빔(35)의 강도가 검출기 어셈블리(32)에서 초당 수백 또는 수천의 광자로 감쇠되도록 선택된다. 주어진 엑스선 에너지 E에 대해, 빔-스토퍼(42)의 감쇠는 관계 Exp[-μ(E)*t]에 의해 결정되는데, 여기에서 μ(E)는 빔 스토퍼(42)의 재료의 엑스선의 선형 감쇠 계수이고 't'는 빔(35)의 방향의 빔 스토퍼(42)의 두께를 나타낸다. 일부 실시예에서, 빔-스토퍼(42)는 실리콘, 게르마늄, 인화 인듐, 탄탈륨 및 텅스텐중 하나 이상으로 만들어진다. 대안으로, 임의의 다른 적절한 재료가 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 이러한 재료는 단일 결정 또는 비결정 재료로 형성되어 기생 산란이 감소될 수 있다. 다른 실시예에서, 낮은 원자량의 재료가 형광의 영향을 줄이는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 3 mm 두께의 단일 결정 실리콘을 포함하는 빔 스토퍼는 보통 빔(35)의 17.5 keV 직접 방사선의 약 99%를 차단한다.
일부 실시예에서, 빔 스토퍼(42)는 2D 시트 또는 하나 이상의 와이어로서 형성될 수 있다. 하나의 실시예에서, 빔 스토퍼(42)의 차단 폭은 빔(35)의 폭과 일치하도록 결정될 수 있다.
일부 실시예에서, 빔 스토퍼(42)는 아래의 도 7에 도시된 바와 같이, 상이한 높이 레벨에 배치된 2개 (또는 그보다 많은) 부분으로 만들어져 있다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 빔-스토퍼 불투명도의 2개의 레벨에서의 반사 엑스선 빔(47, 49)의 산란각의 함수로서, 엑스선 광자의 강도 분포를 보여주는 그래프(62)이다. 곡선 64는 종래의, 불투명한 빔-스토퍼를 사용하는 동안 얻어진다. 곡선 66은 부분-불투명한 빔-스토퍼(42)를 사용하는 동안 얻어진다. 빔(35)의 중심에서의 감쇠의 레벨 사이의 차이는 도면에서 분명하게 볼 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 조정가능한 유효 폭을 갖는 빔 스토퍼의 2개의 세팅(70, 78)의 개략 단면도이다. 세팅(70, 78)의 각각은 예를 들어, 상기 도 1의 빔 스토퍼(42)에서 구현될 수 있다.
도 1의 예에서, 빔(35)은 각도 범위에서 웨이퍼(22)로부터 산란된다. 일부 실시예에서, (세팅 78은 물론) 세팅 70은 2개의 빔 스토핑 부재(72, 74)를 포함하고, 이러한 부재의 각각은 와이어 또는 시트로서 형성되거나 임의의 다른 적절한 형태로 형성될 수 있다. 실시예에서, 부재(72, 74)는 서로에 대해 이동가능하고 이들의 각각은 빔(35)에 대해 일부 또는 완전히 불투명할 수 있다.
하나의 실시예에서, 빔 스토퍼(42)를 위해 설정된 유효 폭(76)은 빔 스토퍼(42)가 빔(35)의 강도를 일부 또는 완전히 차단하는 빔(35)의 각도 범위의 상응하는 부분 섹터 (또는 전체 범위)를 결정한다.
빔 스토퍼(420의 세팅(70, 78)의 예에서, 부재(72)는 부재(74) 위에 위치지정되어 있다. 세팅(70)의 예에서, 부재(72, 74)는 서로 겹쳐 위치되도록 서로에 대해 수평으로 이동되어 빔 스토퍼(42)의 희망의 유효 폭을 설정한다.
세팅(78)의 예에서, 부재(72, 74) 사이의 수평 겹침은 최소가 되어(예를 들어, 거의 제로), 빔 스토퍼(42)의 유효 폭(80)은 유효 폭(76) 보다 크다.
일부 실시예에서, 빔 스토퍼(420에 세팅(70, 78)을 사용함으로써, 빔(35)의 각도 범위의 구성가능한 부분 섹터에서 빔(35)의 강도를 일부 또는 완전히 차단할 수 있다.
일부 실시예에서, 서로에 대한 부재(72, 74)의 위치와 이에 따른 이들 사이의 중첩의 양은 상이한 발산 또는 크기를 갖는, 투과 빔(35)의 강도의 차단 (또는 일부 차단)을 수용하도록 제어되어, SAXS 기반 측정의 상태를 최적화한다.
하나의 실시예에서, 빔 스토퍼(42)의 유효 폭은 상기 그래프 56과 62에 도시된 바와 같이 강도와 각도 분해능 사이의 균형을 결정한다. 빔 스토퍼(42)의 유효 폭은 측정되는 반복 특징부에 따라 조정될 수 있다.
예를 들어, 주어진 유효 폭은 구멍(50)과 같은, 작은 반복 특징부를 갖는 어레이를 측정하는 동안 높은 강도와 작은 각도 분해능이 필요할 때 사용될 수 있다. 대안으로, 서로 보다 가까운 산란 피크를 갖는 보다 큰 반복 특징부를 갖는 어레이를 측정하는 동안 낮은 강도와 큰 각도 분해능이 필요할 때 상이한 유효 폭이 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 2개의 빔 스토핑 부재를 사용하는 대신에, 빔 스토퍼(42)의 유효 폭을 조정하기 위한 메커니즘이 임의의 다른 적절한 기술을 사용하여 구현될 수 있다.
실시예에서, 빔 스토퍼(42)는 단측이 빔(35)으로 향하여 위치될 수 있는 회전가능 직각 빔 스토핑 부재(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 프로세서(34) (또는 빔 스토핑 부재의 제어기)는 빔 스토퍼의 유효 폭을 조정하도록, 0-90 도 사이의 임의의 희망의 각도에서 이러한 직각 부재를 그 축 (예를 들어, 중력의 중심) 둘레로 회전하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 제로(0) 도에서, 빔(35)은 이러한 부재의 단측에만 충돌하여, 유효 폭은 최소이고 단측의 치수와 동일하다. 이러한 유효 폭은 이러한 부재의 장측과 단측 상의 빔(35)의 각각의 투사에 따른 회전각에 따라 변한다.
다른 예에서, 빔 스토퍼(42)는 동력 이송 스테이지의 축을 따라 장착된 다수의 빔 스토핑 부재를 포함할 수 있다. 각각의 빔 스토핑 부재는 예를 들어, 상이한 폭을 갖는 시트로부터 만들 수 있다. 하나의 실시예에서, 프로세서(34) (또는 이러한 이송 스테이지의 제어기)는 희망의 빔 스토핑 부재가 빔(35)에 배치되도록 이송 스테이지를 이동시킴으로써 빔 스토퍼(42)의 유효 폭을 설정하도록 구성되어 있다.
다른 대안으로, 빔 스토퍼(42)는 조정가능한 유효 폭을 제공하는, 임의의 다른 적절한 형상, 구성 및/또는 조정 메커니즘을 가질 수 있다.
여기에 기술된 실시예가 반도체 디바이스의 HAR 특징부를 주로 다루고 있지만, 여기에 기술된 방법 및 시스템은 자기 나노구조를 포함하는 디바이스와 같은 임의의 디바이스에 형성된 임의의 반복된 2D 또는 3D 특징부의 기하학적 치수를 측정하는 것과 같은 다른 적용에도 사용될 수 있다.
상술된 실시예가 예로서 인용되었고, 본 발명은 여기에 특별히 도시되고 기술된 것에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 오히려, 본 발명의 범위는 상기 설명을 통해 당업자에게 가능한 종래기술에 개시되지 않은 변형 및 수정은 물론 여기에 기술된 다양한 특징의 조합 및 부조합 모두를 포함하고 있다. 본 발명에 언급되어 통합된 문서는 본 발명에서 임의의 용어가 명쾌하게 또는 암시적으로 이루어진 정의와 충돌하는 방식으로 이러한 통합된 문서에서 규정된 범위에서는 본 발명의 정의만이 고려되어야 한다는 것을 제외하면 본원에 통합된 것으로 생각해야 한다.

Claims (5)

  1. 시료에 엑스선 빔을 지향시키도록 구성된 엑스선 소스;
    상기 시료를 통해 투과되고 상기 시료로부터 산란된 하나 이상의 엑스선 빔을 검출하도록 구성되고, 검출된 엑스선 빔에 응답하여 각각의 전기 신호를 산출하도록 구성된 검출기 어셈블리; 및
    엑스선에 일부분만 불투명하고, 상기 시료와 상기 검출기 어셈블리 사이에 위치되어 있고, 엑스선 빔 스토퍼 위에 충돌하는 하나 이상의 엑스선 빔의 강도를 일부 차단하고 일부 투과하도록 구성된 엑스선 빔 스토퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 시료에 엑스선 빔을 지향시키도록 구성된 엑스선 소스;
    일정 각도 범위에서 상기 시료를 통해 투과되고 상기 시료로부터 산란된 하나 이상의 엑스선 빔을 검출하도록 구성되고, 검출된 엑스선 빔에 응답하여 각각의 전기 신호를 산출하도록 구성된 검출기 어셈블리; 및
    상기 시료와 상기 검출기 어셈블리 사이에 위치되어 있고 구성가능한 유효 폭을 갖고 있고, 상기 구성가능한 유효 폭에 따라, 상기 각도 범위의 구성가능한 부분 섹터에서 상기 엑스선 빔의 강도를 적어도 일부 차단하도록 구성된 엑스선 빔 스토퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 엑스선 빔 스토퍼는 상기 유효 폭을 설정하도록 서로에 대해 이동가능한 제1 및 제2 빔 스토핑 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 엑스선 빔 스토퍼는 상기 유효 폭을 설정하도록 축에 대해 회전가능하도록 구성된 회전가능 빔 스토핑 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 엑스선 빔 스토퍼는 상이한 유효 폭을 갖는 2개 이상의 빔 스토핑 부재를 포함하고, 상기 시스템은 스테이지를 포함하고 있고, 상기 스테이지는 상기 스토핑 부재가 위에 장착되어 있고, 상기 시료와 상기 검출기 어셈블리 사이에서 선택 빔 스토핑 부재를 위치지정함으로써 상기 유효 폭을 설정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
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