TW202405416A - 半導體檢查裝置、半導體檢查系統及半導體檢查方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種藉由以可收納於實驗室內之大小且充分之強度獲得放大像而可依各個局部檢查半導體內部之細微構造之半導體檢查裝置、半導體檢查系統及半導體檢查方法。半導體檢查裝置係使用經放大之X射線影像者，且具備：X射線照射部，其包含微焦點且高輸出之X射線源120、及將放射出之X射線向半導體的試料聚光照射之電容鏡130；試料保持部，其保持試料；反射鏡型X射線透鏡部150，其將透過試料之X射線成像；及攝像部190，其取得成像之X射線影像；且，構成電容鏡130及反射鏡型X射線透鏡部150之各鏡具有反射面，該反射面形成有對特定波長之X射線具有高反射率之多層膜。

Description

半導體檢查裝置、半導體檢查系統及半導體檢查方法
本發明係關於一種使用經放大之X射線影像之半導體檢查裝置、半導體檢查系統及半導體檢查方法。
近年來，半導體電路之高度積體化日益進展，開發出一種進而於厚度方向較深地形成與表面平行方向之細微構造之半導體。此種半導體之表面構造或藉由蝕刻加工而成之內部構造，越來越難以由以往進行之光學檢查方法或CD-SEM(Critical Dimension Scanning Electron Microscope：臨界尺寸掃描式電子顯微鏡)等進行檢查。因此，欲檢查厚度方向上較長的孔之形狀或尺寸時，必須使用剖面SEM或TEM(Transmission Electron Microscope：穿透式電子顯微鏡)等之伴隨破壞之檢查。但是，半導體製造程序之管理上強烈要求非破壞檢查方法。作為其一者，有一種方法是藉由穿透式SAXS(小角度X光散射)，對直徑數百μm左右的區域之平均構造進行小角度散射而形成X射線之圖形，利用該圖形進行構造分析。但是以此種方法，即使可檢查平均化之構造，亦無法如顯微鏡般檢查每1個構造之缺陷。
另一方面，先前之成像型X射線顯微鏡中，成像系統大多使用菲涅爾波帶片透鏡(FZP)(例如參照專利文獻1)。然而，將FZP應用於高能X射線時，難以增大縱橫比，衍射效率明顯降低。例如，以FZP使15 keV以上之X射線成像時，效率變為數%以下。又，該情形之數值孔徑(NA)亦非常小，為1×10 -3以下。因此，難以於實驗室中實現使用高能X射線之高分辨率X射線顯微鏡。
相對於此，作為可搬入至室內之尺寸之X射線顯微鏡，已開發出使用Kirkpatrick-Baez(柯克帕崔克•貝茲)鏡(KB鏡)者(例如參照專利文獻2)。專利文獻2記載之X射線顯微鏡使用具有反射凹面之KB鏡與具有反射凸面之KB鏡，構成成像系統。其結果，一方面保持了放大倍率，並且縮短光學系統之後側焦點距離。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]美國專利第7394890號說明書 [專利文獻2]日本專利第6478433號公報
[發明所欲解決之問題]
半導體之製造領域中，目前已開發出於深度方向達數μm以上地形成與表面平行方向之數十nm構造之半導體器件。然而，以先前之檢查裝置，無法以非破壞方式檢查至深孔構造內部之複雜構造。
專利文獻2記載之X射線顯微鏡中，由於使用X射線之全反射，故必須將入射角度限制為臨界角以下，且要實現數值孔徑較大之透鏡，需要加長X射線射束方向之大小。在X射線顯微鏡之應用領域中，尤其要求可設置於實驗室內之尺寸，且於高能X射線下亦能以高效率成像。
本發明係鑑於此種狀況而完成者，其目的在於藉由以可收納於實驗室內之大小且充分強度獲得放大影像而可依各個局部檢查半導體內部之細微構造之半導體檢查裝置、半導體檢查系統及半導體檢查方法。 [解決問題之技術手段]
(1)為達成上述目的，本發明之半導體檢查裝置之特徵在於，其係使用經放大之X射線影像者，且具備：X射線照射部，其包含微焦點且高輸出之X射線源、及將放射出之X射線向半導體的試料聚光照射之電容鏡；試料保持部，其保持上述試料；反射鏡型X射線透鏡部，其將透過上述試料之X射線成像；及攝像部，其取得上述成像之X射線影像；且，構成上述電容鏡及反射鏡型X射線透鏡部之各鏡具有反射面，該反射面形成有對特定波長之X射線具有高反射率之多層膜。
(2)又，如上述(1)所記載之半導體檢查裝置，其中上述試料具備：基板，其形成半導體電路；及半導體器件層，其設置於上述基板上。
(3)又，如上述(1)或(2)所記載之半導體檢查裝置，其中上述試料為厚度500 μm以上之板狀體。
(4)又，如上述(1)至(3)中任一者所記載之半導體檢查裝置，其中自上述試料至上述攝像部之受光面之光軸上之距離為3 m以下。
(5)又，如上述(1)至(4)中任一者所記載之半導體檢查裝置，其中上述反射鏡型X射線透鏡部之孔徑角為5 mrad以上。
(6)又，如上述(1)至(5)中任一者所記載之半導體檢查裝置，其進而具備位置調整機構，其可自動地或接受基於操作之控制，調整上述試料相對於各部之相對位置。
(7)又，本發明之半導體檢查系統之特徵在於具備：上述(1)至(6)中任一者所記載之半導體檢查裝置；及連接於上述半導體檢查裝置之控制裝置；上述控制裝置自動地或基於來自使用者之指示，於上述半導體檢查裝置中調整上述試料相對於各部之相對位置。
(8)又，本發明之半導體檢查系統之特徵在於具備：上述(1)至(6)中任一者所記載之半導體檢查裝置；及連接於上述半導體檢查裝置之分析裝置；上述分析裝置基於上述半導體檢查裝置所取得之X射線影像之吸收係數，定量評估各位置處之物質之面密度。
(9)又，本發明之半導體檢查系統之特徵在於具備：上述(1)或(2)所記載之半導體檢查裝置；及連接於上述半導體檢查裝置之分析裝置；上述分析裝置基於上述半導體檢查裝置所取得之X射線影像之吸收係數，評估形成於上述試料之孔相關之構造。
(10)又，如上述(9)所記載之半導體檢查系統，其中上述X射線影像係對上述試料傾斜測定而得。
(11)又，本發明之半導體檢查方法之特徵在於，其係使用上述(1)至(6)中任一者所記載之半導體檢查裝置，以非破壞方式進行者，且包含：將上述試料設置於上述試料保持部之步驟；對上述試料照射15 keV以上之X射線之步驟；及藉由上述成像之X射線影像，評估上述試料內有無缺陷之步驟。
接著，一面參照圖式，一面對本發明之實施形態進行說明。為了容易理解說明，各圖式中對同一構成要件標註同一參照符號，省略重複說明。
以下說明之成像型X射線顯微鏡可使用於本發明之半導體檢查裝置。首先，說明成像型X射線顯微鏡，於下文敘述對半導體檢查之應用。
[成像型X射線顯微鏡] 圖1係成像型X射線顯微鏡100之概略圖。成像型X射線顯微鏡100由高亮度之X射線源120、電容鏡130、試料保持部140、反射鏡型X射線透鏡部150及高分辨率X射線檢測器190(攝像部)構成。於電容鏡130及反射鏡型X射線透鏡部150所使用之X射線反射鏡上，經成膜多層膜。以多層膜形成之反射面相對於特定波長之X射線具有高反射率，且保持較高的X射線入射角度，藉此可增大數值孔徑，故可短時間取得高分辨率之X射線放大圖像。另，成像型X射線顯微鏡100之分辨率δ，可使用常數k、所照射之X射線之波長λ及數值孔徑NA而表示為δ=kλ/NA。
此種成像型X射線顯微鏡100，例如於將數十nm尺度之構造形成為厚數μm之細微化且高密度化之半導體器件之檢查中，可用性較高。若可藉由成像型X射線顯微鏡100以非破壞方式觀察或檢查製品晶圓，則可大幅提高器件製造之生產性。又，藉由成像型X射線顯微鏡100，例如於生命科學之研究領域中，可觀察50 nm～1 μm尺寸之部位。具體而言，可列舉細胞器官、細胞、組織、器官、器官系統之內部構造、模型細胞、疾病模式細胞之形態、及基因改造動物之變異部位之形態。藉由X射線顯微鏡，可觀察50 nm～1 μm尺寸之CT(Computed Tomography：電腦斷層攝影術)斷層圖像，無需將較厚的細胞薄片化，即可直接進行三維觀察。
X射線照射部110具有X射線源120、電容鏡130及光圈135，向試料照射微焦點且高輸出之X射線。X射線源120較佳為旋轉靶陰極式微焦點高輸出X射線源。所照射之X射線較佳具有4 keV以上之能量。X射線之能量與波長成反比關係，能量越高波長越短。因此，如此，藉由使用波長較短之X射線，可提高成像型X射線顯微鏡100之原理性分辨率δ之界限。作為規定X射線之波長之X射線源之靶材，可列舉例如Cr、Cu、Mo、Ag。
X射線源120較佳為以500 W以上之輸出產生X射線，進而佳為1 kW以上。藉此，可增大照射之X射線之強度。電容鏡130經最佳化設計為，以其產生之X射線中、最適合X射線透鏡之數值孔徑之聚光角，於微小之照射區域聚光。又，於鏡面上形成有對所需波長之X射線具有高反射率之多層膜。多層膜之構成之細節於下文敘述。另，本說明書中，「具有較高反射率」與「將入射之特性X射線之強度設為100%之情形時，鏡每1次反射所反射之特性X射線之強度為70%以上」同義。
光圈135可控制相對於X射線照射方向垂直之第1方向及第2方向之孔徑，調整朝向試料S之X射線之各方向之尺寸。本實施形態中，第1方向表示鉛直方向，第2方向表示水平方向，但未必限定於此。
試料保持部140具有可高精度旋轉控制之旋轉台，保持試料S。藉由以旋轉台一面使試料S旋轉一面拍攝，亦可將獲得之立體圖像重構。
反射鏡型X射線透鏡部150具有可朝相對於X射線照射方向垂直之第1方向及與上述第1方向垂直之第2方向反射之瓦爾特(Walter)型鏡組，將透過試料S之X射線成像於高分辨率X射線檢測器190之受光面。藉此，獲得2維之高分辨率之放大像。將自試料至由反射鏡型X射線透鏡部150形成之透鏡面之距離L1除以自透鏡面至受光面之距離L2之值，即為X射線影像之放大率。
「瓦爾特型」是指鏡組各自具有雙曲面及橢圓面之反射面之鏡。藉由「瓦爾特型」，可擴大成像之區域。各鏡具有以多層膜形成之反射面。多層膜之細節於下文敘述。
高分辨率X射線檢測器190例如為具有受光面之CCD(Charge Coupled Device：電荷耦合器件)相機，取得成像之X射線影像。高分辨率X射線檢測器190較佳為具有1 μm以下之空間分辨率，更佳為0.5 μm以下。藉此，可以像素尺寸為50 nm以下、較佳為25 nm以下之高分辨率取得放大像之資料。另，光強度即觀察像之亮度與NA 2/倍率 2成比例。
[聚光系統及成像系統] 圖2(a)、(b)係分別顯示成像型X射線顯微鏡100之光學系統之例之俯視圖及前視圖。如圖2(a)、(b)所示，成像型X射線顯微鏡100具備電容鏡130。
較佳為X射線源120以100 μm以下之焦點尺寸產生X射線，電容鏡130將產生之X射線聚光於100 μm(FWHM：Full Width at Half Maximum：半高全寬)以下之照射區域。再者，若可將X射線源之焦點尺寸及照射區域之聚光尺寸縮小至50 μm(FWHM)以下，則可增大進入目的視野之X射線輸出。藉此，例如可對ϕ50 μm之照射區域照射光子通量為109光子/秒以上之X射線。另，焦點尺寸意指自X射線束側觀察之有效焦點之尺寸。
較佳為電容鏡130具有以多層膜形成之鉛直方向及水平方向之反射面，向試料S照射單色化之X射線。可藉由多層膜取得較大的X射線對鏡之入射角度，可藉由較大的聚光角形成更強之X射線強度之微焦點。
圖2(a)、(b)所示之例中，作為反射鏡型X射線透鏡部150，自試料S側依序具備成像元件160、170及180。成像元件160具有鉛直反射之第1成像鏡及第2成像鏡之鏡組。成像元件170具有水平反射之第1成像鏡，成像元件180具有水平反射之第2成像鏡。由成像元件170及180構成水平反射之鏡組。關於水平反射之第2成像鏡與試料S之距離D1於下文敘述。
鉛直反射之第1成像鏡及第2成像鏡皆為凹面鏡。該等鏡組於與鏡組重疊之位置形成透鏡面。另一方面，水平反射之第1成像鏡為凹面鏡，水平反射之第2成像鏡為凸面鏡。該等鏡組於鏡組前段之位置形成透鏡面。且，藉由精密加工各鏡之反射面，可使鉛直反射之透鏡面與水平反射之透鏡面一致。另，上述例中，由小型化及使透鏡面一致之觀點而言，採用凹凹凹凸鏡之組合，但亦可為其他鏡配置之組合。
圖2(a)、(b)所示之例中，以各成像鏡之反射位置將自試料S至受光面之光軸上之距離區分出之各距離D2、D3、D4、D5及D6，可設定為例如30～60 mm、30～60 mm、50～100 mm、50～100 mm及1～2.5 m。另，距離D2稱為工作距離，相當於自試料S至鉛直反射之第1成像鏡之距離。使用者配置試料S並測定後，雖希望盡可能取得較大的工作距離，但如後述，要獲得所需之放大率或數值孔徑，有其限制。
圖2(a)、(b)所示之例中，電容鏡130、各成像元件160～180之任一成像鏡之反射面亦形成有多層膜。其結果，即使為高能量之X射線，不僅可對試料位置以較大的聚光角照射強X射線，亦可增大數值孔徑，於實驗室內亦可獲得充分強度之放大像。
圖3係顯示聚光角及孔徑角之概略圖。聚光角ψ為自電容鏡入射至試料S之X射線相對於光軸之最大角度。孔徑角α為自試料S入射至反射鏡型X射線透鏡部150之X射線相對於光軸之最大角度，數值孔徑NA為sin(α/2)。電容鏡130之聚光角ψ、對反射鏡型X射線透鏡部150之數值孔徑NA根據各射線源而決定。例如，相對於CuKα，聚光角ψ為10 mrad，孔徑角α為9.4 mrad，相對於MoKα，聚光角ψ為5 mrad，孔徑角α為5 mrad。藉此，決定試料S之位置，且決定距離D1與D2之關係。作為X射線顯微鏡，於高分辨率X射線檢測器190上獲得之強度，與聚光角及孔徑角之大致平方成比例。因此，期望於不易獲得強度較強之X射線源之實驗室內之裝置中，盡可能取得較大的該等值，利用多層膜增加對反射面之入射角之效果極大。
[多層膜] 圖4係顯示多層膜之剖視圖。如圖4所示，多層膜交替積層有以重元素形成之層與以輕元素形成之層。各多層膜中，將重元素層與輕元素層作為1對之層而重複積層。積層次數亦可依構成鏡組之各個鏡而設定。
多層膜自入射之X射線中，選擇性地反射對應之特性X射線之波長之X射線。藉由週期性形成重元素與輕元素，產生電子密度有規則之深淺，引發衍射現象。若入射之X射線中包含連續X射線及複數種特性X射線，多層膜鏡反射後之X射線會成為由多層膜衍射之一部分或全部之特性X射線。
多層間隔d係根據特性X射線之波長與鏡之形狀(抛物形狀、橢圓形狀等彎曲反射面之形狀)決定。因此，根據X射線源120之靶材之種類或鏡之表面形狀，設計成最佳之多層間隔。
圖4所示之例中，於入射角θ1之位置處之週期長d1與入射角θ2之位置處之週期長d2，當θ1＞θ2時必須為d1＜d2之關係。各層之厚度(週期長)以根據位置而變化之方式設計，於製造時要求按照設計之精確成膜。
藉由於鏡表面成膜多層膜，可增大X射線入射角。其結果，可實現小型且聚光角較大之聚光透鏡、及小型且數值孔徑較高之成像透鏡。
多層膜例如藉由產生電漿，使電漿與靶材碰撞而產生之粒子積層於基板而可成膜。此時，可設置縫隙來限制所產生之粒子，根據其開口形狀，調整到達基板之粒子之量，即膜厚。或者，藉由改變通過縫隙附近之基板之速度，基板快速移動之處可使層厚變薄，緩慢移動之處可使層厚增厚。可組合該等方法，高精度地成膜出膜厚因處所而異之薄膜。另，作為重元素，可使用鎢或鉬，作為輕元素，可使用矽、碳或硼等。
多層膜較佳為相對於設計之週期性以0.5Å以下之誤差形成，更佳為以0.2Å以下之誤差形成。光學元件之形狀或週期性構造之不均一性，會使得X射線之波面產生紊亂。成膜多層膜時，相應於設計值，以因位置不同所致之週期性誤差或表面形狀之誤差變小之方式形成，可減小由所形成之反射面反射之X射線之波面紊亂。藉此，於使用硬X射線之攝影中，可遍及透鏡整面獲得無相位偏差且分辨率充分高之X射線圖像。
例如，藉由採用經塗佈此種多層膜之反射成像透鏡，即使使用實驗室中泛用之8 keV之X射線，亦可使孔徑角大於8 mrad。又，即使使用17.5 keV之X射線，亦可實現孔徑角大於5 mrad且效率超過40%之透鏡。
[多層膜之精度試驗] 準備使用於成像型X射線顯微鏡100之各成像鏡之多層膜。多層膜之製造乃藉由RIT(Rigaku Innovative Technologies：日本理學創新技術股份有限公司)進行。作為用於製造多層膜之成膜裝置，使用藉由重複多次校準而達成較高之成膜穩定性、再現性及膜厚之控制性者。對製得之各多層膜，藉由X射線反射率高精度地測定相對於位置之週期長。
圖5(a)、(b)係分別顯示鉛直反射之鏡組及水平反射之鏡組之俯視圖。如圖5(a)所示，鉛直反射之成像元件160中之第1成像鏡161及第2成像鏡162分別形成有雙曲面及橢圓面之多層膜。又，如圖5(b)所示，水平反射之成像元件170及成像元件180中之第1成像鏡171及第2成像鏡181分別形成有橢圓面及雙曲面之多層膜。
圖6係顯示相對於鉛直反射之第1成像鏡之位置的多層膜之週期長之設計值及測定值之圖表。圖7係顯示相對於鉛直反射之第2成像鏡之位置的多層膜之週期長之設計值及測定值之圖表。圖8係顯示相對於水平反射之第1成像鏡之位置的多層膜之週期長之設計值及測定值之圖表。圖9係顯示相對於水平反射之第2成像鏡之位置的多層膜之週期長之設計值及測定值之圖表。
任一圖中，直線皆表示對應於位置之週期長之設計值，圓皆表示相對於各位置之週期長之測定值。任一成像鏡之多層膜之週期長之誤差皆落在0.2Å以內。
圖10係顯示相對於水平反射之第2成像鏡之位置的表面形狀之誤差大小之圖表。如圖10所示，水平反射之第2成像鏡之表面形狀之誤差為1.5 nm以內。另，對於其他鏡之表面形狀，亦可獲得與水平反射之第2成像鏡相同之結果。
[X射線影像之分辨率評估] 使用以上述多層膜之精度製造之鏡，組成成像型X射線顯微鏡100。使用CuKα之X射線源。構成反射鏡型X射線透鏡部150之鏡組之詳細規格如下表。 [表1]
   鉛直反射鏡組 水平反射鏡組
形狀 雙曲凹 橢圓凹 橢圓凹 雙曲凸
鏡長（mm） 22.4 35.0 64.2 54.0
斜入射角（mrad） 17 19.34 21.6 10.6
數值孔徑 4.74☓10 -3 4.83☓10 -3
視野（μm） 13.5 36
倍率 32 31
W/Si 多層膜N數 75 75 100 40
反射率 75~80%（1次反射中）
高分辨率X射線檢測器190使用日本理學(Rigaku)製高分辨率X射線相機SightXRM。作為試料，拍攝分辨率評估用之測試圖之X射線影像。作為分辨率評估用測試圖，使用NTT-AT製之厚膜高解析度型X射線圖(XRESO-50HC，最小尺寸50 nm，圖案高度500 nm)。計算上之X射線影像之像素分辨率為12 nm。另，反射鏡型X射線透鏡部150之倍率、高分辨率X射線檢測器190之空間分辨率、X射線影像之像素分辨率之關係如以下之表2。 [表2]
成像部之倍率 （倍） 攝像部之空間分辨率 （μm/pixel） 像素分辨率 （μm/pixel）
M A B=A/M
圖11(a)係顯示分辨率評估用之具有50 nm線寬之測試圖之X射線影像。圖11(b)係顯示分辨率評估用之中心線寬為50 nm之測試圖之X射線影像之圖。任一X射線影像皆可辨別至50 nm之圖，在檢查半導體器件之細微構造上能夠獲得充分之分辨率。
圖12(a)、(b)係分別顯示100 nm孔圖之X射線影像及其一部分強度分佈(線分佈)之圖。如圖所示，將直徑100 nm之孔以200 nm間隔規則排列，可確認到各個孔彼此具有微妙之差異。
[半導體檢查裝置] 說明應用如上述之成像型X射線顯微鏡100之半導體檢查裝置。圖13係顯示將成像型X射線顯微鏡100應用於半導體檢查裝置之例之概略圖。圖13所示之成像型X射線顯微鏡100之基本構成本身與圖1所示者相同。惟，根據對應於試料1之特徵之構成或檢查步驟特有之狀況，可採用更適合之構成作為半導體檢查裝置。另，半導體檢查裝置不僅可在製造出之半導體之檢查步驟中用於品質檢查之目的，亦可用於研究開發時在實驗室中進行檢查之目的。
成像型X射線顯微鏡100具有100 nm以下、較佳為50 nm以下之高分辨率，可應用於檢查半導體之細微構造是否有缺陷之步驟。由於成像型X射線顯微鏡100可藉由X射線源120照射15 keV以上之X射線，故可透過矽基板而取得X射線影像。尤其，由容易構成之觀點而言，較佳為使用17.5 keV之MoKα。藉此，可觀測自半導體的試料之表面嵌埋深達10 μm以上之構造。又，由於可根據X射線之透過率測定各位置之吸收係數，故例如可以CVD(Chemical Vapor Deposition：化學氣相沈積)法等測定導入至各孔之材料之量，定量地評估CVD法等之效果。又，可直接觀察自表面看不到部分之深孔或溝槽之大小等形狀、該等配置之偏差等之構造。
半導體檢查步驟中之試料S1係形成為平板狀(例如直徑300 mm)之矽晶圓。因此，在CT拍攝之情形時，亦假設難以進行360°旋轉。於此種情形下，需要以限定之角度使試料S1旋轉。例如於±5°以上之範圍內使試料S1旋轉，可將晶圓試料傾斜測定。藉此，可觀測依存於深度之構造變化。
設置於半導體之製造及檢查現場之裝置整體之大小，經驗上已知若為4 m以下則無問題。將成像型X射線顯微鏡100應用於半導體檢查裝置時，自試料S1至高分辨率X射線檢測器190之受光面之光軸上之距離，較佳為3 m以下。藉此，可構成小型之半導體檢查裝置。且，可收納於有限之檢查室之收納空間，容易組入現有之檢查步驟。
又，反射鏡型X射線透鏡部150之孔徑角較佳為5 mrad以上。藉此，可縮短自試料S1至高分辨率X射線檢測器190之受光面之距離，可實現小型之半導體檢查裝置。
[半導體檢查系統] 圖14係顯示半導體檢查系統10之方塊圖。半導體檢查系統10具備半導體檢查裝置200及處理裝置300。處理裝置300作為控制半導體檢查裝置200之動作之控制裝置、或自半導體檢查裝置200取得之測定資料之分析裝置發揮功能。另，圖14所示之例中，半導體檢查系統10由複數個裝置構成，但亦可匯集各裝置之功能，作為單獨之裝置構成。
(半導體檢查裝置) 半導體檢查裝置200具備成像型X射線顯微鏡100、控 制單元250及位置調整機構270。成像型X射線顯微鏡100如上述般構成，電容鏡130及構成反射鏡型X射線透鏡部150之各鏡具有反射面，該反射面形成有對特定波長之X射線具有高反射率之多層膜。藉此，即使為高能量之X射線，亦可藉由保持較高的X射線入射角度而增大數值孔徑，能夠以可收納於實驗室內之大小獲得充分強度之放大像。其結果，可以非破壞方式檢查半導體內部之局部細微構造。
藉由具有控制單元250、位置調整機構270，可進行精確之對準。控制單元250根據來自處理裝置300之控制指示，控制成像型X射線顯微鏡100之動作。
例如，控制單元250藉由位置調整機構270，於成像型X射線顯微鏡100中調整試料S1相對於各部之相對位置。各部可列舉X射線照射部110、X射線源120、電容鏡130、光圈135、反射鏡型X射線透鏡部150、成像元件160～180及高分辨率X射線檢測器190，藉此可進行焦點對位或試料對位。又，控制單元250亦可變更供給至X射線照射部110之電壓，且變更X射線強度。
位置調整機構270為可自動地或接受基於操作之控制，調整試料S1相對於成像型X射線顯微鏡100各部之相對位置之機構。具體而言，可列舉樣本載台之試料調整機構、測定位置移動(對準)及焦點位置調整軸。藉由該機構，例如可於光軸上使試料位置靠近或遠離高分辨率X射線檢測器190。又，位置調整機構270可使旋轉台旋轉。另，圖14所示之構成為一例，亦可不具有控制單元250或位置調整機構270，而採用手動調整成像型X射線顯微鏡100之動作之構成。
(處理裝置) 處理裝置300作為控制裝置，控制成像型X射線顯微鏡100之動作，且取得X射線影像，作為分析裝置，對取得之X射線影像進行分析。處理裝置300之功能主要藉由電腦310實現。
電腦310例如為PC(Personal Computer：個人電腦)，由執行處理之處理器及記憶程式或資料之記憶體或硬碟等構成。電腦310連接於鍵盤、滑鼠等輸入裝置380及顯示器等輸出裝置390，接受使用者自輸入裝置380之輸入，對輸出裝置390輸出輸入畫面、X射線影像及分析結果等。
電腦310亦可為配置於雲端上之伺服器裝置。又，基於處理負擔之觀點，亦可將控制成像型X射線顯微鏡100之動作之功能、與分析測定資料之功能分離，以設置於現場之PC執行控制，以伺服器裝置執行分析。
電腦310具備輸入輸出控制部311、測定控制部315、測定資料記憶部317及分析部319。各部可藉由控制匯流排L收發資訊。
輸入輸出控制部311接受自輸入裝置380之輸入，且控制向輸出裝置390之輸出。輸入輸出控制部311例如可接受測定條件之輸入。作為測定條件，可列舉產生X射線之強度、X射線之照射位置、試料之位置或檢測器之配置及X射線影像取得時之測定時間等。又，輸入輸出控制部311可輸出獲得之X射線影像或分析結果。
測定控制部315控制用於以成像型X射線顯微鏡100進行測定之動作。所控制之動作可列舉各部之位置、試料之相對位置調整，及X射線之產生。將控制指示發送至半導體檢查裝置200內之控制單元250，藉此控制成像型X射線顯微鏡100之各部。
測定資料記憶部317記憶由成像型X射線顯微鏡100取得之X射線影像作為測定資料。所記憶之測定資料可利用於用以觀察X射線影像之畫面顯示或資料分析。
分析部319分析所取得之測定資料。例如，分析部319基於各位置之吸收係數，定量地評估物質之面密度。又，可基於該定量之評估，判定試料有無缺陷。又，分析部319亦可評估半導體內部之孔之深度、藉由CVD法沈積之物質之狀態。
(試料) 試料S1具有形成半導體電路之基板。尤其，對於將與表面平行方向之數十nm之構造深達數μm地形成之半導體之檢查，半導體檢查裝置200極其有效。又，試料S1具備設置於基板上之半導體器件層之情形時，亦可以非破壞方式測定內部之細微構造之點上較為有效。半導體器件層例如可以各種金屬或矽之化合物形成。
又，試料S1如為厚度500 μm以上之板狀體時，半導體檢查裝置200亦較為有效。藉由使用半導體檢查裝置200，可獲得充分強度之放大像，可進行檢查。
[半導體檢查方法] 可使用如上述之半導體檢查系統10，以非破壞方式進行半導體檢查。該情形時，首先將試料設置於試料保持部140。由效率化之觀點而言，試料之設置較佳為以機械臂或帶式輸送機等之各種自動搬送裝置進行，但亦可以人工進行。又，試料之設置意指將半導體之試料固定於試料台、及將試料台上之半導體的試料與X射線照射位置對位之任一者或兩者。接著，對試料S1照射15 keV以上之X射線。且，根據成像之X射線影像，評估試料內有無缺陷。如此，因以可收納於實驗室內之大小且充分之強度獲得放大像，能夠依各個局部檢查半導體內部之細微構造。另，評估亦包含使用者以目視評估X射線影像。
[實施例] 與具有深孔之半導體器件之表面平行之尺度為數十nm至數百nm左右。由圖11或圖12所示之X射線圖之圖像，可證實本發明之X射線顯微鏡可將線寬50 nm之構造或100 nm孔一個個明確分離。又，如圖12(b)之強度圖之結果所示，可確認各個孔彼此具有微妙之差異。
另，本申請案係主張基於2022年4月22日提出申請之日本專利申請案第2022-071044號之優先權者，日本專利申請案第2022-071044號之全部內容以引用之方式併入本申請案中。
10:半導體檢查系統 100:成像型X射線顯微鏡 110:X射線照射部 120:X射線源 130:電容鏡 135:光圈 140:試料保持部 150:反射鏡型X射線透鏡部 160:成像元件 161:第1成像鏡 162:第2成像鏡 170:成像元件 171:第1成像鏡 180:成像元件 181:第2成像鏡 190:高分辨率X射線檢測器(攝像部) 200:半導體檢查裝置 250:控制單元 270:位置調整機構 300:處理裝置 310:電腦 311:輸入輸出控制部 315:測定控制部 317:測定資料記憶部 319:分析部 380:輸入裝置 390:輸出裝置 d1:週期長 d2:週期長 D1～D6:距離 L:控制匯流排 L1:距離 L2:距離 S:試料 S1:試料 α:孔徑角 θ1:入射角 θ2:入射角 ψ:聚光角
圖1係顯示成像型X射線顯微鏡之概略圖。 圖2(a)、(b)係分別顯示成像型X射線顯微鏡之光學系統之俯視圖及前視圖。 圖3係顯示聚光角及孔徑角之概略圖。 圖4係顯示多層膜之剖視圖。 圖5(a)、(b)係分別顯示鉛直反射之鏡組及水平反射之鏡組之俯視圖。 圖6係顯示相對於鉛直反射之第1成像鏡之位置的多層膜之週期長之設計值及測定值之圖表。 圖7係顯示相對於鉛直反射之第2成像鏡之位置的多層膜之週期長之設計值及測定值之圖表。 圖8係顯示相對於水平反射之第1成像鏡之位置的多層膜之週期長之設計值及測定值之圖表。 圖9係顯示相對於水平反射之第2成像鏡之位置的多層膜之週期長之設計值及測定值之圖表。 圖10係顯示相對於水平反射之第2成像鏡之位置的表面形狀之誤差大小之圖表。 圖11(a)、(b)係分別顯示50 nm L&S圖及50 nm星圖之X射線影像之圖。 圖12(a)、(b)係分別顯示100 nm孔圖之X射線影像及其一部分強度分佈之圖。 圖13係顯示本發明之成像型X射線顯微鏡對半導體檢查裝置之應用例之概略圖。 圖14係顯示本發明之半導體檢查系統之方塊圖。
100:成像型X射線顯微鏡
110:X射線照射部
120:X射線源
130:電容鏡
135:光圈
140:試料保持部
150:反射鏡型X射線透鏡部
190:高分辨率X射線檢測器(攝像部)
L1:距離
L2:距離
S1:試料

Claims (11)

  1. 一種半導體檢查裝置，其特徵在於，其係使用經放大之X射線影像者，且具備： X射線照射部，其包含微焦點且高輸出之X射線源、及將放射出之X射線向半導體的試料聚光照射之電容鏡； 試料保持部，其保持上述試料； 反射鏡型X射線透鏡部，其將透過上述試料之X射線成像；及 攝像部，其取得上述成像之X射線影像；且 構成上述電容鏡及反射鏡型X射線透鏡部之各鏡具有反射面，該反射面形成有對特定波長之X射線具有高反射率之多層膜。
  2. 如請求項1之半導體檢查裝置，其中上述試料具備：基板，其形成半導體電路；及半導體器件層，其設置於上述基板上。
  3. 如請求項1或2之半導體檢查裝置，其中上述試料為厚度500 μm以上之板狀體。
  4. 如請求項1或2之半導體檢查裝置，其中自上述試料至上述攝像部之受光面之光軸上之距離為3 m以下。
  5. 如請求項1或2之半導體檢查裝置，其中上述反射鏡型X射線透鏡部之孔徑角為5 mrad以上。
  6. 如請求項1或2之半導體檢查裝置，其進而具備位置調整機構，其可自動地或接受基於操作之控制，調整上述試料相對於各部之相對位置。
  7. 一種半導體檢查系統，其特徵在於具備：請求項1或2之半導體檢查裝置；及 連接於上述半導體檢查裝置之控制裝置；且 上述控制裝置自動地或基於來自使用者之指示，於上述半導體檢查裝置中調整上述試料相對於各部之相對位置。
  8. 一種半導體檢查系統，其特徵在於具備：請求項1或2之半導體檢查裝置；及 連接於上述半導體檢查裝置之分析裝置；且 上述分析裝置基於上述半導體檢查裝置所取得之X射線影像之吸收係數，定量評估各位置處之物質之面密度。
  9. 一種半導體檢查系統，其特徵在於具備：請求項1或2之半導體檢查裝置；及 連接於上述半導體檢查裝置之分析裝置；且 上述分析裝置基於上述半導體檢查裝置所取得之X射線影像之吸收係數，評估形成於上述試料之孔相關之構造。
  10. 如請求項9之半導體檢查系統，其中上述X射線影像係對上述試料傾斜測定而得。
  11. 一種半導體檢查方法，其特徵在於，其係使用請求項1或2之半導體檢查裝置，以非破壞方式進行者，且包含： 將上述試料設置於上述試料保持部之步驟； 對上述試料照射15 keV以上之X射線之步驟；及 藉由上述成像之X射線影像，評估上述試料內有無缺陷之步驟。
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