JP2011007811A - Method and device for inspection of sample - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、分析機器一般に関連し、特にX線を用いた薄膜の分析方法及び機器に関する。 The present invention relates generally to analytical instruments, and more particularly to a method and instrument for analyzing a thin film using X-rays.
X線反射率法(XRR)は、基板に蒸着された薄膜層の厚さ、密度、表面品質の測定において、よく知られた技術である。従来のX線反射率計は、テクノ(日本・大阪)、シーメンス(ドイツ、ミュンヘン)、ベーデ科学工業(イギリス、ダラム)といった多くの会社で販売している。一般的に、そういった反射率計は、試料をかすめるような入射で、すなわち、サンプル表面に対して小さな角度、サンプル試料の全反射角近辺でX線を照射することによって作動する。サンプルで反射されたX線強度の測定から、角度の関数として干渉縞パターンが得られ、それは干渉縞パターンを作る原因となる薄膜層の性質を決定するために分析される。X線強度の測定は、一般に、比例計数管や、フォトダイオードアレイやチャージカップルドデバイス(CCD)といったアレイ検出器のような、位置感度検出器を用いて行う。 X-ray reflectivity (XRR) is a well-known technique for measuring the thickness, density, and surface quality of thin film layers deposited on a substrate. Conventional X-ray reflectometers are sold by many companies such as Techno (Osaka, Japan), Siemens (Munich, Germany), and Bade Science Industry (Durham, UK). In general, such reflectometers operate by irradiating the specimen with X-rays at a grazing incidence, ie, at a small angle relative to the sample surface and near the total reflection angle of the sample specimen. From the measurement of the X-ray intensity reflected from the sample, an interference fringe pattern is obtained as a function of angle, which is analyzed to determine the properties of the thin film layer responsible for creating the interference fringe pattern. The measurement of X-ray intensity is generally performed using a position sensitive detector such as a proportional counter, or an array detector such as a photodiode array or a charge coupled device (CCD).
膜厚を決定するためにX線データを分析する方法は、例えば小宮らによって開示され、ここに参照として組み入れる米国特許第5740226号(特許文献1)に記載されている。角度の関数としてX線反射率を測定した後、平均反射率曲線を干渉縞スペクトルにフィットさせる。その平均曲線は減衰、背景、及び膜の表面ラフネスを表す定式に基づいている。またフィットさせた平均反射率曲線は縞スペクトルの発振成分を抽出するために使用される。この成分は膜厚を調べるためにフーリエ変換される。 A method for analyzing X-ray data to determine film thickness is described, for example, in US Pat. No. 5,740,226, disclosed by Komiya et al. And incorporated herein by reference. After measuring the x-ray reflectivity as a function of angle, the average reflectivity curve is fit to the interference fringe spectrum. The average curve is based on a formula representing attenuation, background, and surface roughness of the film. The fitted average reflectance curve is used to extract the oscillation component of the fringe spectrum. This component is Fourier transformed to check the film thickness.
コペルによって開示され、ここに参照として組み入れる米国特許第5619548号(特許文献2)には、反射率測定に基づくX線膜厚計について記載されている。湾曲した反射X線モノクロメータがサンプルの表面上にX線の焦点を合わせるために用いられる。フォトダイオード検出器アレイのような、位置感度検出器が、表面反射されたX線を検知し、反射角の関数として強度信号を生ずる。その角度依存信号は、膜厚や密度、表面ラフネスといったサンプル上の薄膜層の構造特性を決定することに使用される。
バートン等によって開示され、ここに参照として組み入れる米国特許第5923720号(特許文献3)もまた、湾曲結晶モノクロメータに基づいたX線分光計について記載している。その分光計は、先細りした対数スパイラルの形状を有しており、従来の分光計よりはっきりとした焦点をサンプル表面上に作ることが記載されている。サンプル表面からの反射、または回折されたX線は位置感度検出器で受光される。
US Pat. No. 5,615,548, disclosed by Koper and incorporated herein by reference, describes an X-ray film thickness meter based on reflectance measurements. A curved reflective x-ray monochromator is used to focus the x-rays on the sample surface. A position sensitive detector, such as a photodiode detector array, detects surface reflected x-rays and produces an intensity signal as a function of reflection angle. The angle-dependent signal is used to determine the structural characteristics of the thin film layer on the sample, such as film thickness, density, and surface roughness.
US Pat. No. 5,923,720, which is disclosed by Barton et al. And incorporated herein by reference, also describes an X-ray spectrometer based on a curved crystal monochromator. The spectrometer has a tapered logarithmic spiral shape and is described to produce a sharper focus on the sample surface than a conventional spectrometer. Reflected or diffracted X-rays from the sample surface are received by a position sensitive detector.
他の一般的なX線反射率測定の方法は、例えばここに参照として組み入れる、ナードン等による論文”角度分解された分散モードにおけるX線反射率法の新装置”、ジャーナル・オブ・アプライド・クリストログラフィ 22 (1989)、P.460(非特許文献1)に記載されている。発散X線をサンプルの表面をかすめるように入射し、X線源と対向して配置された検出器は反射されたX線を集める。主X線をカットするため、サンプル表面の測定位置のすぐ上に、密接してナイフエッジを配置する。サンプルと検出器の間(米国特許第5619548号のように、むしろ線源とサンプルの間)のモノクロメータは、検出器に到達する反射X線の波長を選択する。 Other common X-ray reflectometry methods are described in, for example, a paper by Nadon et al., “A New Apparatus for X-Ray Reflectance Method in Angle-Resolved Dispersion Mode,” Journal of Applied Chris, incorporated herein by reference. Trograph 22 (1989), P.460 (Non-Patent Document 1). A divergent X-ray is incident to graze the surface of the sample, and a detector placed opposite the X-ray source collects the reflected X-ray. In order to cut the main X-ray, a knife edge is placed in intimate contact just above the measurement position on the sample surface. A monochromator between the sample and the detector (rather between the source and sample, as in US Pat. No. 5,615,548) selects the wavelength of the reflected x-rays that reach the detector.
XRRは、半導体ウェハー上に生成される薄膜層を検査するために、蒸着炉内のままでも使用されることがあり、例えば、林等によって開示され、ここに参照として組み入れている米国特許出願公開第2001/0043668号(特許文献4)に記載されている。蒸着炉の側壁には、X線の入射窓と採取窓が設けられる。薄膜が蒸着されている基板に、入射窓を通して照射され、基板で反射されたX線はX線採取窓を通じて検知される。 XRR may also be used in a vapor deposition furnace to inspect thin film layers produced on semiconductor wafers, for example, published US patent applications disclosed by Hayashi et al. And incorporated herein by reference. No. 2001/0043668 (Patent Document 4). An X-ray incident window and a sampling window are provided on the side wall of the vapor deposition furnace. The substrate on which the thin film is deposited is irradiated through the incident window, and X-rays reflected by the substrate are detected through the X-ray collection window.
本願発明は、米国特許出願番号09/833902で現在米国特許第6512814号の分割出願である米国特許出願番号10/300504、米国特許出願番号10/313280、及び米国特許出願番号10/364883の一部継続出願である。これら関連出願は、本特許出願の承継人に承継され、これらで開示されていることはここに参照として組み込まれる。 The present invention is a U.S. Patent Application No. 10/300504, U.S. Patent Application No. 10/313280, and a part of U.S. Patent Application No. 10/364883, which is a divisional application of U.S. Pat. It is a continuation application. These related applications are inherited by the successor of the present patent application, the disclosures of which are incorporated herein by reference.
本願発明の実施態様は、精度を向上したXRR測定を実行するための方法及びシステムを提供する。これらの方法及びシステムは、薄膜層の分析に好適であり、とりわけシリコンウェハーのような高密度下層に蒸着された多孔質低誘電率誘電体(low-k porous dielectrics)のような低密度素材の特徴を示すことに好適である。
本願発明の幾つかの実施態様では、薄膜層により形成されたXRR縞パターンの角度スケールは下層の既知の反射特性に基づいて較正される。縞パターンの構造は薄膜の密度、厚さ、及びその他の特性に依存するが、そのパターンは、特に薄膜層の密度が下層のそれより低いとき、下層からの全反射臨界角で明確な肩を含むこともある。次に、この臨界角は、下層の構成と密度によって決定される。下層のパラメータが既知の場合(例えば、下層がシリコンウェハー層のとき)、XRR縞パターンの角度スケールは肩の位置に基づいて正確に較正することができる。
Embodiments of the present invention provide a method and system for performing XRR measurements with improved accuracy. These methods and systems are suitable for the analysis of thin film layers, especially for low density materials such as low-k porous dielectrics deposited on high density underlayers such as silicon wafers. Suitable for showing features.
In some embodiments of the present invention, the angular scale of the XRR fringe pattern formed by the thin film layer is calibrated based on the known reflective properties of the underlying layer. The structure of the fringe pattern depends on the density, thickness, and other properties of the thin film, but the pattern has a clear shoulder at the total reflection critical angle from the lower layer, especially when the density of the thin film layer is lower than that of the lower layer. May be included. This critical angle is then determined by the underlying structure and density. If the underlying parameters are known (eg, when the underlying layer is a silicon wafer layer), the angle scale of the XRR fringe pattern can be accurately calibrated based on the shoulder position.
本願発明のさらなる実施態様では、X線検出素子のアレイは、ピクセル以下の解像度でXRR縞パターンを測定するために使用される。この目的に対し、サンプルは収束X線で照射される。検出器アレイは、アレイの素子が、サンプル面と直交する軸に沿ってサンプルから反射される放射線を解像するように配置され、方向を合わせられる。それから、アレイのピッチよりも少ない増分で、アレイが軸に沿って動かされ、測定が繰り返される。好ましくは、その増分はアレイのピッチを整数で割ったものと等しく(pitch/n,ここでnは整数)、測定は軸に沿ったアレイのn個の異なるポジションで行われる。異なるポジションで作られたXRR測定値は、解像度を向上した縞スペクトルを取得するために、代表的には異なる増分で取得された測定値をインターリーブすることによって合成される。 In a further embodiment of the invention, an array of X-ray detector elements is used to measure an XRR fringe pattern with sub-pixel resolution. For this purpose, the sample is irradiated with convergent x-rays. The detector array is positioned and oriented so that the elements of the array resolve the radiation reflected from the sample along an axis orthogonal to the sample plane. The array is then moved along the axis in increments less than the array pitch and the measurement is repeated. Preferably, the increment is equal to the pitch of the array divided by an integer (pitch / n, where n is an integer), and measurements are taken at n different positions of the array along the axis. XRR measurements made at different positions are typically combined by interleaving measurements taken at different increments to obtain a fringe spectrum with improved resolution.
ここに記述される本願発明の実施態様は、直接的には主として薄膜、特に半導体ウェハー上に形成された膜のX線測定能力を高めるものであるが、X線反射測定や散乱の他の応用や、放射線に基づく分析の別タイプにも本願発明の原理を同様に用いることが可能である。 While the embodiments of the present invention described herein directly enhance the X-ray measurement capability of thin films, particularly films formed on semiconductor wafers, other applications of X-ray reflectometry and scattering. In addition, the principle of the present invention can be similarly used for another type of analysis based on radiation.
それ故、本願発明の実施態様によると、既知の反射特性を有する第1層と、第1層上に形成された第2層を有するサンプルの検査方法が提供され、
その検査方法には、
サンプル表面に放射線を向けること、
表面に対する仰角の関数として反射信号を生成するために、表面で反射された放射線を検知すること、
第1層からの放射線反射による反射信号における特徴を同定すること、
同定された特徴と第1層の既知の反射特性とに応答可能なように反射信号を較正すること、
第2層の特性を決定するために較正された反射信号を分析すること、を含む。
代表的には、放射線にはX線を含み、放射線を検知することには、表面に対して直交するアレイ軸を持つ検出素子アレイで放射線を受光することを含む。
Therefore, according to an embodiment of the present invention, there is provided a method for inspecting a sample having a first layer having a known reflection characteristic and a second layer formed on the first layer,
The inspection method includes
Directing radiation onto the sample surface,
Detecting radiation reflected at the surface to produce a reflected signal as a function of elevation relative to the surface;
Identifying features in the reflected signal due to radiation reflection from the first layer;
Calibrating the reflected signal to be responsive to the identified features and the known reflection characteristics of the first layer;
Analyzing the calibrated reflected signal to determine the characteristics of the second layer.
Typically, the radiation includes X-rays, and detecting the radiation includes receiving the radiation with a detection element array having an array axis orthogonal to the surface.
開示された実施態様では、特徴を同定することには、第1層からの全反射臨界角に対応する反射信号の肩の位置を見つけることを含む。代表的には、反射信号を較正することには、肩の位置と、第1層の既知の密度で決定される臨界角の既知の値とを比較することを含む。また反射信号を較正することには、肩の位置と臨界角の既知の値とに基づいて反射信号の角度スケールにおけるゼロ角度を見つけることを含む。 In the disclosed embodiment, identifying the features includes finding the position of the shoulder of the reflected signal corresponding to the total reflection critical angle from the first layer. Typically, calibrating the reflected signal includes comparing the position of the shoulder with a known value of the critical angle determined by the known density of the first layer. Calibrating the reflected signal also includes finding a zero angle on the angle scale of the reflected signal based on the position of the shoulder and the known value of the critical angle.
幾つかの実施態様では、第1層からの全反射臨界角を第1の臨界角とし、較正された反射率信号を分析することには、第2層からの全反射に対する第2の臨界角の較正された値を決定することを含む。代表的には、第1層は第1の密度、第2層は第2の密度をそれぞれ有し、較正された反射信号を分析することには、第2の臨界角の較正された値に基づいて第2の密度を評価することを含み、ここで第2の密度は実質的に第1の密度より小さいこともある。一つの実施態様では、第1層はシリコンを有し、第2層は多孔質誘電素材を有する。 In some embodiments, using the total critical angle from the first layer as the first critical angle and analyzing the calibrated reflectance signal, the second critical angle for total reflection from the second layer may be used. Determining a calibrated value of. Typically, the first layer has a first density, the second layer has a second density, and the calibrated reflected signal is analyzed with a calibrated value of the second critical angle. Based on evaluating the second density, wherein the second density may be substantially less than the first density. In one embodiment, the first layer comprises silicon and the second layer comprises a porous dielectric material.
また本願発明の一つの実施態様により提供されるサンプルの検査装置は、既知の反射特性を有する第1層と、第1層上に形成された第2層を有するサンプルの検査装置であって、
サンプル表面方向に放射線を向けることに適用される放射線源と、
表面に対する仰角の関数として反射信号を生成するために、表面で反射された放射線を検知するために配置された検出器部と、
第1層からの放射線反射による反射信号における特徴を同定すること及び同定された特徴と第1層の既知の反射特性とに応答可能なように反射信号を較正することにより、反射信号を受信且つ処理するため、及び第2層の特性を決定するために較正された反射信号を分析するため、連結された信号プロセッサとを有する。
本願発明の一つの実施態様によりさらに提供されるサンプルの検査装置は、
サンプル表面にX線を向けることに適用される放射線源と、
検出器部であって、
その表面に対して実質的に直交するアレイ軸に沿って配置され、予め定義されたピッチで相互に分離され、表面で反射されたX線を受光し、受光した放射線に応答可能なように信号を生成するために作動する検出素子アレイと、
ピッチの整数倍でない増分で互いに分離されている、少なくとも第1のポジションと第2のポジションとの間でアレイ軸と平行な方向に検出素子アレイをシフトするために連結された可動素子と、を有する検出器部と、
表面に対する仰角の関数として表面のX線反射率を決定するために、少なくとも第1のポジションと第2のポジションで検出器部によって生成された信号を合成するために連結された信号プロセッサ、を有する。
The sample inspection apparatus provided by one embodiment of the present invention is a sample inspection apparatus having a first layer having a known reflection characteristic and a second layer formed on the first layer,
A radiation source applied to direct radiation towards the sample surface;
A detector portion arranged to detect radiation reflected at the surface to generate a reflected signal as a function of elevation relative to the surface;
Receiving the reflected signal by identifying features in the reflected signal due to radiation reflection from the first layer and calibrating the reflected signal to be responsive to the identified features and the known reflection characteristics of the first layer; and A coupled signal processor for processing and analyzing the calibrated reflected signal to determine the properties of the second layer.
The sample inspection apparatus further provided by one embodiment of the present invention comprises:
A radiation source applied to directing X-rays to the sample surface;
A detector section,
Positioned along an array axis that is substantially perpendicular to the surface, separated from each other by a predefined pitch, receives X-rays reflected from the surface, and signals to be able to respond to the received radiation A detector element array that operates to generate
Movable elements coupled to shift the detector element array in a direction parallel to the array axis between at least a first position and a second position, separated from each other by increments that are not an integral multiple of the pitch; Having a detector section;
A signal processor coupled to synthesize a signal generated by the detector section at least in a first position and a second position to determine surface x-ray reflectivity as a function of elevation relative to the surface; .
代表的には、信号プロセッサは表面のX線反射率を決定するために、少なくとも第1のポジションと第2のポジションで検出器部によって生成された信号をインターリーブすることに適用されるものである。 Typically, the signal processor is applied to interleave the signals generated by the detector section at least in a first position and a second position to determine the surface X-ray reflectivity. .
開示された実施例では、増分はピッチの半分以下である。
代表的に、上記アレイはリニアアレイを有するとともに、検出素子はアレイ軸に直交する横方向の広さがアレイのピッチよりも実質的に大きい。代わりとして、上記アレイは検出素子の2次元マトリックスを有し、検出器部はアレイ軸に直交する方向に沿ったアレイの各列における検出素子を足し合わせる(bin)ことに適用されるものである。
In the disclosed embodiment, the increment is less than half the pitch.
Typically, the array has a linear array, and the detection element has a width in the transverse direction perpendicular to the array axis substantially larger than the pitch of the array. Alternatively, the array has a two-dimensional matrix of detector elements and the detector section is applied to bin detector elements in each column of the array along a direction orthogonal to the array axis. .
さらに、本願発明の一つの実施態様により提供されるサンプルの検査方法には、
サンプル表面方向へX線を向けること、
その表面に対して実質的に直交するアレイ軸に沿って受光した放射線を解像しつつ、表面で反射されたX線を受光するために、予め定義されたピッチで相互に分離された検出素子アレイを構成すること、
ピッチの整数倍でない増分で互いに分離された、少なくとも第1のポジションと第2のポジション間で、アレイ軸に平行な方向で検出素子アレイをシフトすること、
少なくとも第1のポジションと第2のポジションそれぞれで受光したX線に応答可能なように、検出素子により生成された少なくとも第1の信号と第2の信号を受信すること、
表面に対する仰角の関数として、表面のX線反射率を決定するために、少なくとも第1の信号と第2の信号を合成すること、が含まれる。
Further, the sample inspection method provided by one embodiment of the present invention includes:
Directing X-rays towards the sample surface,
Detection elements separated from each other at a predefined pitch to receive X-rays reflected at the surface while resolving radiation received along an array axis substantially perpendicular to the surface Configuring the array,
Shifting the detector element array in a direction parallel to the array axis, at least between the first position and the second position, separated from each other in increments that are not an integral multiple of the pitch;
Receiving at least the first signal and the second signal generated by the detection element so as to be able to respond to X-rays received at least at the first position and the second position, respectively.
Combining at least the first signal and the second signal to determine the x-ray reflectivity of the surface as a function of elevation relative to the surface is included.
本願発明のある実施態様により、さらに提供されるマイクロ電子デバイス製造用クラスターツールは、
半導体ウェハー表面の、既知の反射特性を有する下層に薄膜層を蒸着することに適用される蒸着ステーションと、
検査ステーションであって、
ウェハー表面にX線を向けることに適用される放射線源と、
表面に対する仰角の関数として反射信号を生成するために、表面で反射された放射線を検知するよう配置された検出器部と、
下層からの放射線反射による反射信号における特徴を同定すること及び同定された特徴と下層の既知の反射特性とに応答可能なように反射信号を較正することにより、反射信号を受信且つ処理するため、及び蒸着ステーションで蒸着された薄膜層の特性を決定するために較正された反射信号を分析するため、連結された信号プロセッサ、を有する検査ステーション、を有する。
According to an embodiment of the present invention, a cluster tool for manufacturing a microelectronic device is further provided.
A deposition station applied to deposit a thin film layer on an underlying layer having a known reflective property on a semiconductor wafer surface;
An inspection station,
A radiation source applied to directing X-rays on the wafer surface;
A detector portion arranged to detect radiation reflected from the surface to generate a reflected signal as a function of elevation relative to the surface;
To receive and process the reflected signal by identifying features in the reflected signal due to radiation reflection from the lower layer and calibrating the reflected signal to be responsive to the identified features and the known reflection characteristics of the lower layer, And an inspection station having a coupled signal processor for analyzing the reflected signal calibrated to determine the properties of the thin film layer deposited at the deposition station.
さらに、本願発明の一つの実施態様により提供されるマイクロ電子デバイス製造用装置は、
半導体ウェハーを受け入れることに適用される製造用チャンバー(production chamber)と、
チャンバー内で半導体ウェハー表面の、既知の反射特性を有する下層に薄膜層を蒸着することに適用される蒸着装置と、
チャンバー内の半導体ウェハー表面にX線を向けることに適用される放射線源と、
表面に対する仰角の関数として反射信号を生成するために、表面で反射された放射線を検知するよう配置された検出器部と、
下層からの放射線反射による反射信号における特徴を同定すること及び同定された特徴と下層の既知の反射特性とに応答可能なように反射信号を較正することにより、反射信号を受信且つ処理するため、及び蒸着装置で蒸着された薄膜層の特性を決定するために較正された反射信号を分析するため、連結されたプロセッサ、を有する。
Furthermore, an apparatus for manufacturing a microelectronic device provided by one embodiment of the present invention is:
A production chamber applied to receive a semiconductor wafer;
A deposition apparatus applied to deposit a thin film layer on a lower layer having a known reflection characteristic on a surface of a semiconductor wafer in a chamber;
A radiation source applied to directing X-rays to a semiconductor wafer surface in a chamber;
A detector portion arranged to detect radiation reflected from the surface to generate a reflected signal as a function of elevation relative to the surface;
To receive and process the reflected signal by identifying features in the reflected signal due to radiation reflection from the lower layer and calibrating the reflected signal to be responsive to the identified features and the known reflection characteristics of the lower layer, And a coupled processor for analyzing the calibrated reflection signal to determine the properties of the thin film layer deposited by the deposition apparatus.
また、本願発明の一つの実施態様により提供されるマイクロ電子デバイスの製造用クラスターツールは、
半導体ウェハー表面に薄膜層を蒸着することに適用される蒸着ステーションと、
検査ステーションであって
ウェハー表面にX線を向けることに適用される放射線源と、
検出器部であって、
表面に対して実質的に直交するアレイ軸に沿って配置され、予め定義されたピッチで相互に分離され、表面で反射されたX線を受光するため及び受光した放射線に応答可能なように信号を生成するために作動するようになっている検出素子アレイと、
ピッチの整数倍でない増分で互いに分離されている、少なくとも第1のポジションと第2のポジションとの間でアレイ軸に平行な方向に検出素子アレイをシフトするために連結された可動素子、を有するものと、
表面に対する仰角の関数として薄膜層のX線反射率を決定するために、少なくとも第1のポジションと第2のポジションで検出器部によって生成された信号を合成するために連結された信号プロセッサ、を有する検査ステーション、を有する。
Further, a cluster tool for manufacturing a microelectronic device provided by one embodiment of the present invention,
A deposition station applied to deposit a thin film layer on a semiconductor wafer surface;
A radiation source applied to directing X-rays to a wafer surface, an inspection station;
A detector section,
Signals arranged along an array axis substantially orthogonal to the surface, separated from each other at a predefined pitch, and capable of receiving X-rays reflected at the surface and responsive to received radiation An array of detector elements adapted to generate
Having movable elements coupled to shift the detector element array in a direction parallel to the array axis between at least a first position and a second position, separated from each other by increments that are not an integral multiple of the pitch things and,
A signal processor coupled to combine the signals generated by the detector section at least in a first position and a second position to determine the x-ray reflectivity of the thin film layer as a function of elevation relative to the surface; Having an inspection station.
加えて、本願発明の一つの実施態様により提供されるマイクロ電子デバイス製造装置は、
半導体ウェハーを受け入れることに適用される製造用チャンバーと、
チャンバー内で半導体ウェハー表面に薄膜層を蒸着することに適用される蒸着装置と、
チャンバー内の半導体ウェハー表面にX線を向けることに適用される放射線源と、
検出器部であって、
表面に対して実質的に直交するアレイ軸に沿って配置され、予め定義されたピッチで相互に分離され、表面で反射されたX線を受光するため及び受光した放射線に応答可能なように信号を生成するために作動するようになっている検出素子アレイと、
ピッチの整数倍でない増分で互いに分離されている、少なくとも第1のポジションと第2のポジションとの間でアレイ軸に平行な方向に検出素子アレイをシフトするために連結された可動素子、を有するものと、
表面に対する仰角の関数として薄膜層のX線反射率を決定するために、少なくとも第1のポジションと第2のポジションで検出器部によって生成された信号を合成するために連結された信号プロセッサ、を有する。
In addition, the microelectronic device manufacturing apparatus provided by one embodiment of the present invention includes:
A manufacturing chamber adapted to receive a semiconductor wafer;
A deposition apparatus applied to deposit a thin film layer on a semiconductor wafer surface in a chamber;
A radiation source applied to directing X-rays to a semiconductor wafer surface in a chamber;
A detector section,
Signals arranged along an array axis substantially orthogonal to the surface, separated from each other at a predefined pitch, and capable of receiving X-rays reflected at the surface and responsive to received radiation An array of detector elements adapted to generate
Having movable elements coupled to shift the detector element array in a direction parallel to the array axis between at least a first position and a second position, separated from each other by increments that are not an integral multiple of the pitch things and,
A signal processor coupled to combine the signals generated by the detector section at least in a first position and a second position to determine the x-ray reflectivity of the thin film layer as a function of elevation relative to the surface; Have.
さらに、本願発明の一つの実施態様により提供されるサンプルの検査方法には、
予め定義された第1のポジションにある放射線源から、予め定義された第2のポジションにある放射線センサへ放射線を向けること、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフするように、シャッターが配置された間に、仰角の関数として第1の直接信号を生成するために放射線源から放射線センサへ直接入射する放射線を検知すること、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフしないように、シャッターが配置された間に、仰角の関数として第2の直接信号を生成するために放射線源から放射線センサへ直接入射する放射線を検知すること、
放射線がサンプル表面に入射するよう、予め定義された第1のポジションにある放射線源と予め定義された第2のポジションにある放射線センサの間にサンプルを置くこと、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフするように、シャッターが配置された間に、仰角の関数として第1の反射信号を生成するためにサンプル表面から放射線センサ上へ反射した放射線を検知すること、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフしないように、シャッターが配置された間に、仰角の関数として第2の反射信号を生成するためにサンプル表面から放射線センサ上へ反射した放射線を検知すること、
表面に対する接線の仰角を見つけるために、第1の直接信号と第2の直接信号の第1の比と、第1の反射信号と第2の反射信号の第2の比を比較すること、
を含む。
Further, the sample inspection method provided by one embodiment of the present invention includes:
Directing radiation from a radiation source in a first predefined position to a radiation sensor in a second predefined position;
Detects radiation incident directly from the radiation source to the radiation sensor to generate a first direct signal as a function of elevation angle while the shutter is positioned to cut off radiation at a predefined cutoff angle To do,
Detects radiation that is directly incident on the radiation sensor from the radiation source to generate a second direct signal as a function of elevation while the shutter is positioned so as not to cut off radiation at a predefined cutoff angle To do,
Placing the sample between a radiation source in a first predefined position and a radiation sensor in a second predefined position so that the radiation is incident on the sample surface;
Detects radiation reflected from the sample surface onto the radiation sensor to generate a first reflected signal as a function of elevation angle while the shutter is positioned to cut off radiation at a predefined cutoff angle To do,
Detects radiation reflected from the sample surface onto the radiation sensor to generate a second reflected signal as a function of elevation angle while the shutter is positioned so as not to cut off radiation at a predefined cutoff angle To do,
Comparing a first ratio of the first direct signal and the second direct signal and a second ratio of the first reflected signal and the second reflected signal to find an elevation angle of the tangent to the surface;
including.
代表的には、上記の方法はサンプル表面の薄膜層の性質を決定するために、第1の反射信号と第2の反射信号を分析することを含む。
開示された実施態様において、上記第1の比と第2の比とを比較することには、第1の比が所定の値となる第1の仰角を見つけ、第2の比が所定の値となる第2の仰角を見つけ、及び第1の仰角と第2の仰角の平均となるよう、表面に対する接線の仰角を決定する、ことを含む。加えて、または代わりとして、上記の方法はシャッターが放射線をカットするより下で最小仰角を決定するために第1の仰角と第2の仰角の差を取得することを含む。
Typically, the above method includes analyzing the first reflected signal and the second reflected signal to determine the properties of the thin film layer on the sample surface.
In the disclosed embodiment, comparing the first ratio and the second ratio involves finding a first elevation angle at which the first ratio is a predetermined value, and the second ratio is a predetermined value. And determining the tangential elevation angle to the surface to be an average of the first and second elevation angles. Additionally or alternatively, the above method includes obtaining a difference between the first elevation angle and the second elevation angle to determine a minimum elevation angle below which the shutter cuts radiation.
さらに、本願発明の実施態様により提供されるサンプルの検査装置には、
放射線を生成することに適用される、予め定義された第1のポジションにある放射線源と、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットするために配置可能なシャッターと、
放射線源で生成された放射線をサンプル表面へ入射させるためにサンプルを適当な場所へ置くために構成される可動ステージと、
仰角の関数として、放射線センサに入射した放射線に応答可能な信号を生成するために放射線を検知することに適用される、予め定義された第2のポジションにある放射線センサと、
上記信号には、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフするように、シャッターが配置された間に、放射線源から放射線センサへ直接入射する放射線に応答可能な第1の直接信号と、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフしないように、シャッターが配置された間に、放射線源から放射線センサへ直接入射する放射線に応答可能な第2の直接信号と、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフするように、シャッターが配置された間に、サンプル表面から放射線センサ上へ反射した放射線に応答可能な第1の反射信号と、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフしないように、シャッターが配置された間に、サンプル表面から放射線センサ上へ反射した放射線に応答可能な第2の反射信号とを含み、
表面に対する接線の仰角を見つけるために、第1の直接信号と第2の直接信号との第1の比と、第1の反射信号と第2の反射信号との第2の比を比較するために連結された信号プロセッサとを有する。
Furthermore, the sample inspection apparatus provided by the embodiment of the present invention includes:
A radiation source in a first predefined position applied to generating radiation;
A shutter that can be arranged to cut radiation at a predefined cutoff angle;
A movable stage configured to place the sample in an appropriate location for the radiation generated by the radiation source to be incident on the sample surface;
A radiation sensor in a predefined second position applied to detecting radiation as a function of elevation angle to produce a signal responsive to radiation incident on the radiation sensor;
In the above signal,
A first direct signal responsive to radiation directly incident on the radiation sensor from the radiation source while the shutter is positioned to cut off radiation at a predefined cutoff angle;
A second direct signal that is responsive to radiation directly incident on the radiation sensor from the radiation source while the shutter is positioned so as not to cut off radiation at a predefined cutoff angle;
A first reflected signal responsive to radiation reflected from the sample surface onto the radiation sensor while the shutter is positioned to cut off radiation at a predefined cutoff angle;
A second reflected signal responsive to radiation reflected from the sample surface onto the radiation sensor while the shutter is positioned so as not to cut off radiation at a predefined cutoff angle;
To compare the first ratio of the first direct signal and the second direct signal and the second ratio of the first reflected signal and the second reflected signal to find the elevation angle of the tangent to the surface And a signal processor coupled to each other.
上記及び特許請求の範囲において使用している”第1の”及び”第2の”という言葉は、任意であることをご理解いただきたい。よって、例えばこれらの言葉は、上述されている信号が受信される実際の順番を必ずしも反映しているわけではない。
本願発明は、以下に記述する実施態様の詳細な説明及び図から、より十分に理解されよう。
It should be understood that the terms “first” and “second” as used above and in the claims are optional. Thus, for example, these terms do not necessarily reflect the actual order in which the signals described above are received.
The present invention will be more fully understood from the detailed description and figures of the embodiments described below.
図1を参照すると、そこには本願発明の実施態様による反射率測定法(XRR)のシステム20の概略側面図が記載されている。システム20は、上述した米国特許第6512814号に記載されているシステムと同様であり、さらに、ここで述べる特徴と能力を加えたものである。
Referring to FIG. 1, there is described a schematic side view of a reflectometry (XRR)
半導体ウェハーのようなサンプル22が、システム20で評価するために、可動ステージ24にその位置と方向を正確に調整して取り付けられる。代表的なものとしては、単色光学器械に適用されるX線管(図示されていない)のようなX線源26が、サンプル22上の小領域28を照射する。例えば、オックスフォード工業(カリフォルニア、スコットバレー)によって製造されているX線管である、XTF5011を本目的のために用いてもよい。その光学器械は収束光27でX線管から領域28への照射の焦点を合わせる。線源26として使用され得る多数の異なる光学器械の構成が、ここに参照として組み入れる米国特許第6381303号に記載されている。例として、その光学器械はXOS工業(アルバニー、ニューヨーク)によって製造されている、二重湾曲フォーカスクリスタル(Doubly-Bent Focusing Crystal)装置といった湾曲結晶分光器を有するようにしてもよい。他の適した光学器械が、上述した米国特許第5619548号および第5923720号に記載されている。さらに可能な光学器械の構成は、その当業者に対して明らかになるであろう。システム20での反射率と散乱の測定において典型的なX線エネルギーは約8.05KeV(CuKa1)である。代わりとして、5.4KeV(CrKa1)といった他のエネルギーを使用してもよい。
A
スリット39を水平方向のX線入射光を制限するために用いる一方で、移動可能なナイフエッジ36とシャッター38は、垂直方向(すなわち、サンプル22の面に直交する方向)でのX線入射光27の角度範囲を制限するために使用される。ナイフエッジ、シャッター及びスリットはX線入射光27の横断面の大きさを調整するためにシャッター部として取り扱われる。図1には、シャッター部の構成が一例として示されており、代わりとなる、下記に記載する手法で入射X線27の横断面の大きさを制御するためのX線光学器械の構成が、その当業者に対して明らかとなり、本願発明の対象に含まれるとみなされる。
While the
XRR測定におけるナイフエッジ36とシャッター38の使用は上述した米国特許第6512814号に詳しく記載されている。簡単に言えば、0°近辺の浅い角度での反射の光学的検出に対し、シャッター38は入射X線27の範囲の外側へ取りはずされ、一方ナイフエッジ36は領域28上に置かれ、入射光の有効縦断面を減ずるために下方移動される。結果として、領域28でのX線入射スポットの横方向範囲が狭くなる。一方で、弱く、高角度な反射を効果的に検出するため、ナイフエッジ36は入射X線27からはずされ、一方シャッター38は入射X線の浅い角度部分をカットオフするように置かれる(その代わりとして、反射X線29の浅い角度部分をカットオフするようにシャッターを配置してもよい)。この手法では、高角度での測定における信号/背景比を向上するように、サンプル22での高角度の反射光だけが検出器アレイに到達し、浅い角度の強い反射光は到達しない。XRR測定中、収束光の全域が入射できるよう、スリット39は通常開いておき、反射率測定での信号/背景比を増加させる。
The use of knife edge 36 and
サンプル22からのX線反射光29は、検出器部30で集光される。通常、XRRにおいて検出器部30は、全反射角に対するサンプルの臨界角の上方、下方双方ともで、垂直方向(仰角φ)でおよそ0°から3°の間の反射角の範囲にわたって反射X線を集光する(図を明確にするため、図1ではサンプル22の平面上のX線源26と検出器部30が大きな仰角をもっているように誇張されている)。
The X-ray reflected light 29 from the
検出器部30は、これから述べるように、CCDアレイのような、検出素子アレイ32を有する。図の簡単化のために、図では一列だけで且つ相対的に少ない検出素子が示されているが、一般的には、検出素子アレイ32は非常に多数の素子を有し、直線配列、もしくはマトリクス(2次元)配列されている。検出器部30は、サンプル22に関して検出素子アレイ32を移動し、調整するために、本技術において既知の何か適当なタイプの移動素子33を有するようにしてもよい。検出器部30は、さらにベリリウムのようなX線透過に適用される素材で作られた窓34を有し、その窓は検出素子アレイとサンプルの間、検出素子アレイの前面に入れられる。さらに、検出素子アレイ32の操作の詳細は図2を参照して以下に詳述する。
The
信号プロセッサ40は、得られたエネルギー若しくはそれ以上のエネルギーの範囲で角度の関数としてサンプル22で反射されたX線フォトンの流れの分布42を決定するために、検出器部30の出力を分析する。通常、サンプル22は、領域28において薄膜のような薄い表面層を1以上有し、そのため仰角の関数である分布42が、各層間の面から反射されたX線波の間での干渉効果により発振構造として振舞う。以下に記述する分析方法を用いて、サンプル表面の1以上の層の厚さや密度、表面の質といった特性を決定するために、信号プロセッサ40は角度分布特性を分析する。
The
図2は、本願発明の実施態様によるアレイ32の概略正面図である。この図に示されるアレイ32は、サンプル22の平面に対する直交軸に沿って配置されたアレイ軸で、検出素子46の単一列を有するようになっている。検出素子46は高いアスペクト比、すなわち、アレイ軸に沿った方向のピッチより、アレイ軸を横切る方向である、幅の方が十分に大きくなっている。アレイ32は、アレイ軸に沿った各角度の増分毎に、相対的に広い領域でX線フォトンを集めることができるため、この高いアスペクト比はシステム20のSN比を高めるのに有効である。この図における検出素子46の大きさは、単なる例示であり、本願発明の本質としては、適切な検出装置のアプリケーションニーズや入手可能性により、もっと小さなアスペクト比や大きなアスペクト比の素子を用いてもよい。
FIG. 2 is a schematic front view of an
上述したように、アレイ32はリニアCCDアレイ若しくは浜松ホトニクス株式会社(日本、浜松市)で製造されるモデルS7032-1008のような2次元アレイのどちらを用いてもよい。この後者のアレイは、1044x256画素を有し、25.4x6mmの外形寸法を有する。アレイの各列における複数の検出素子が高いアスペクト比を有する単一の素子として効果的に機能するように、そのアレイは、浜松ホトニクスより、ラインビニングモード用に供給される専用のハードウェアを用いて、ラインビニングモードで作動する能力を有する。この場合において、アレイ32は物理的に検出素子の2次元配列を有するものの、機能的には図2に示されるような、検出素子の単一ラインを形成する。
As described above, the
代わりとして、アレイ32は、ここに参照として組み入れる米国特許第6389102号に記載されたような集積化処理電子機器を可能なら含む、適切な入出力回路を有するPINダイオードアレイを有してもよい。この特許においても、アレイの検出特性を高めるために適用され得るマスクやアレイ(1次元、2次元双方とも)の様々な幾何学的構成を含む、代わりとなるアレイの特徴についても述べられている。なお、これらの特徴は、本願発明の応用の検出器部30にも同様に適用可能である。少なくとも、これらの検出器のタイプは、単に例として記載され、どのような適切なタイプ、大きさまたは数の検出器であっても、使用できることを理解されたい。
Alternatively,
本願発明の一つの側面として、図2に示されるように、アレイ32は、例えば移動素子33(図1)を用いて、Z軸方向に小さな増分で移動される。アレイの二つの垂直ポジション45及び47が示され、それらはZ軸方向にアレイの0.5ピッチ分、すなわち検出素子46の区分の中心−中心間の0.5個分の増分で分離されている(なお、図2において、ポジション45と47は水平方向にオフセットがあるように示されているが、水平方向のオフセットは単にこの図を明確にするためだけに用いられており、XRR測定において必要なものでも、望ましいものでもない)。ポジション45と47のそれぞれについて、線源26が駆動され、検出器部30が仰角の関数としてサンプル22で反射されたX線を捕捉する。
As one aspect of the present invention, as shown in FIG. 2, the
検出器部30は、通常そのポジション間のZ軸方向の増分よりも小さい増分でもって、2より多い異なる垂直ポジションでX線を捕捉するために、本手法で動作させてもよい。例えば、アレイピッチの1/3で分離された3個の異なるポジションを用いるようにしてもよい。
The
各異なる垂直ポジションで検出器部30により生成された信号は、プロセッサ40に入力され、そして異なるポジションで作られた読み出し信号と単一スペクトルとして合成される。本質的には、プロセッサは実際の物理的アレイ32より細かな解像度を有する”仮想アレイ”を創り出す。仮想アレイにおける信号は、例えば単純に異なるアレイポジションで得られた読み出し信号をインターリーブすることによって推定される。それ故、仮想アレイにおける各”仮想ピクセル”に対し、異なる測定ポジションで作られた読み出し信号間で、ある仮想ピクセルから隣の仮想ピクセルまで交互に、プロセッサ40は実際の測定の一つのポジションに対応する本当のピクセルの測定値を選択する。言い換えれば、後続のピクセルの読み出し信号は、アレイの3つの連続したポジションで作られると仮定する。
ポジション1:R11,R21,R31,R41,・・・
ポジション2:R12,R22,R32,R42,・・・
ポジション3:R13,R23,R33,R43,・・・
そして、結果的に仮想アレイは実際のアレイピッチの1/3で区分された仮想ピクセルにおいて、以下の値を有することとなる。
R11,R12,R13,R21,R22,R23,R31,R32,R33,R41,・・・
The signal generated by the
Position 1: R11, R21, R31, R41, ...
Position 2: R12, R22, R32, R42, ...
Position 3: R13, R23, R33, R43, ...
As a result, the virtual array has the following values in the virtual pixels divided by 1/3 of the actual array pitch.
R11, R12, R13, R21, R22, R23, R31, R32, R33, R41,.
代わりとして、異なるアレイポジションでの読み出し信号の差や和といった、別の方法を、実際の測定値を合成する以前に、個々の実際の測定値からXRR情報を抽出するか、仮想アレイの各ピクセルに使用される実際の測定結果を選択するために用いてもよい。 Alternatively, another method, such as the difference or sum of readout signals at different array positions, can be used to extract XRR information from individual actual measurements before synthesizing the actual measurements, or for each pixel of the virtual array May be used to select the actual measurement results used.
縞の分離がアレイピッチと同等か、それより小さいといった、XRRスペクトルが高い空間周波数で明瞭な構造を有する場合、上述した解像度向上技術は、特に有用である。
代わりとして、XRRスペクトルが十分に強く、その縞がよく分離されている場合、許容できるスペクトルを抽出するために、ポジション45といった一つの垂直ポジションでのXRR信号を測定することで十分なこともある。
The above-described resolution enhancement technique is particularly useful when the XRR spectrum has a clear structure at a high spatial frequency, such as fringe separation equal to or smaller than the array pitch.
Alternatively, if the XRR spectrum is strong enough and its fringes are well separated, it may be sufficient to measure the XRR signal at one vertical position, such as position 45, in order to extract an acceptable spectrum. .
図3及び図4は、本願発明の実施態様による、システム20を用いて作られたXRR測定値の概略プロットである。この種のプロットは、アレイ32の単一の垂直ポジションで受光した信号を用いて生成してもよく、上述したような2以上の異なる垂直ポジションからの合成信号により、生成してもよい。図3のプロットは、X線源26からのCuKa(8.05KeV)放射線を用い、仰角φの関数として、単一の垂直ポジションでアレイ32によって受光された反射X線の強度を示す。下記に述べる図4は、アレイ32の複数の異なる垂直ポジションで捕捉された合成信号の結果を示す。
3 and 4 are schematic plots of XRR measurements made using
上側の曲線50はむきだしのシリコンウェハーから測定された反射を示し、下側の曲線52は多孔質低誘電率膜が形成されたウェハーからの反射を示す。両曲線とも図中にφ2として印をつけた角度のところ、0.2°よりわずかに大きいところで、肩を持つ。この角度はシリコンからの全反射についての臨界角に対応する。より正確には、密度2.33g/cm3の標準的シリコンウェハーでは、8.05KeVで臨界角は0.227°である。それ故、一度φ2で肩の位置が見つかると、単にφ2の左へ0.227°戻すことにより、図3のスペクトルでの角度(水平)スケールにおけるゼロ点を正確に決定することができる。検出素子46毎の段における角度スケールのスケールファクタは、
臨界角より上側で、曲線52は、主として低誘電率膜の上端面と下端面からの反射により、発振構造を示す。この発振の周期と振幅は、低誘電率膜、及びあるいはウェハー上でそのフィルムの下にある他の薄膜層の厚さや表面の質を決定するために分析される。例えば、高速フーリエ変換(FFT)が発振と関連する特性を抽出するために用いられる。代わりとして、フィルムパラメータのより正確な決定を与えるために、パラメトリックカーブフィッティング法(parametric curve fitting method)を用いてもよい。曲線52のようなXRR信号を分析するための方法は、上述した米国特許第6512814号に非常に詳しく記載されている。
Above the critical angle, the
臨界角、そしてここからは反射率曲線における肩の位置は、主としてX線が反射する素材の密度によって決定される。ウェハー上に蒸着された多孔質で低誘電率な層はシリコン基板よりかなり密度が低いため、多孔質層の臨界角は下層にあるシリコンの臨界角よりかなり小さい。そのため、曲線52ではより小さい角度で、図中でφ1として印をつけている、多孔質層の臨界角に対応するもう一つの肩が見られる。φ1の完全な値は、既知のφ2の値を用いて上述した角度スケールの較正によって決定できる。それからプロセッサ40は較正されたφ1の値に基づいて、高い精度で多孔質素材の全体密度を決定することができる。誘電体素材(孔のないもの)の固有の密度は通常既知であるため、測定されたφ1の値に基づいて、多孔質層の単位体積あたりについての孔の全体積が、既知の誘電体素材の固有密度と評価された多孔質層の全体密度との差として推定される。
The critical angle, and from here on, the position of the shoulder in the reflectance curve, is mainly determined by the density of the material from which the X-rays reflect. Since the porous low dielectric constant layer deposited on the wafer is much less dense than the silicon substrate, the critical angle of the porous layer is much smaller than the critical angle of the underlying silicon. Therefore, there is another shoulder in the
図4は、アレイの異なる垂直ポジションで作られた複数の測定値を合成した結果を示しており、仰角φの関数として、アレイ32で受光した反射X線の強度を示す。この図における角度スケールは、図3の角度スケールに対して拡大されている。未加工の曲線54は、アレイ32の単一の垂直ポジションで得た典型的な測定値を示す。合成曲線56は、アレイの異なる垂直ポジションで取得された5個の測定値を合成して得られた結果を示し、またそれら垂直ポジションは、Z軸方向にアレイピッチの1/5の増分で他から離れている。アレイのピッチは、連続する検出素子46間の角度分離がおよそ0.004°といったものとなる。
FIG. 4 shows the result of combining a plurality of measurements made at different vertical positions of the array, showing the intensity of the reflected X-rays received by the
曲線56に見られるように、反射放射線の発振パターン周期は約0.007°から約0.010°の間で変化し、アレイ32のナイキスト限界に近い。そのため、曲線56で現れている真の発振構造部分を捕捉することに、曲線54は失敗しており、あまり忠実でない構造の他部分を再現している。一方で、複数の測定値を合成した場合、曲線54では失われた発振構造部分が、他の測定値でうまく捕捉されている。結果として、アレイ32の有効解像度は曲線56に描かれるように高められる。この手法で得られる向上は、アレイ32で発振パターンを捕捉するために用いられるX線光学器械の解像度よりも効果的に明瞭な解像度を提供し得る。上記で示したように、サンプル22の表層の厚さ及び表面の質といったパラメータを決定するために、理論的モデルを曲線56で適合させる。XRR信号は本来複雑であり、角度の関数として非線形な周期変化の振る舞いをするため、上述した手法でアレイをシフトすることにより得られた追加のデータ点は、適合性を向上し、それ故表層のパラメータについてより正確な値を抽出するのに有用である。
As can be seen in curve 56, the oscillation pattern period of the reflected radiation varies between about 0.007 ° and about 0.010 ° and is close to the Nyquist limit of
図5(a)及び図5(b)を参照すると、本願発明の実施態様による、サンプル22のゼロ角度を決定する手法が概略的に描写されている。図5(a)は、異なるシステム条件下でのアレイ32への入射とX線源26で生成されたX線の角度展開とを示す概略側面図である。これら異なる条件下でアレイ32により検出される放射線の角度特性はサンプル22のゼロ角度を決定するために使用される。この文脈における”ゼロ角度”という単語は、サンプル上のX線入射点でのサンプル22の表面に対する接線の仰角を参照するために用いられる。このゼロ角度は図3に示されるスペクトルにおいて上述したゼロ点と等価である。しかし、これらのスペクトルでゼロ点を見つける上述の方法と異なり、図5(a)及び図5(b)に示された方法は、サンプル22の層構造の特別な並びにはよらない。ここでは、サンプル22に対する接線と一直線に並んだアレイ32の検出素子を識別することによって(若しくは、上記の解像度向上技術により創り出された仮想アレイにおける、この接線と一直線に並んだ仮想ピクセルを見つけることにより)ゼロ角度が見つけられる。
With reference to FIGS. 5 (a) and 5 (b), a technique for determining the zero angle of the
図5(a)は4つの異なる放射線構成を示す。
・狭い反射X線55 これは図に示されるように、サンプル22が所定位置にあり、シャッター38がX線の低角度部分をカットオフするよう配置された場合のアレイ32に入射するX線である。
・広い反射X線57 これはシャッター38をX線の範囲から外した場合のサンプル22のゼロ角度に対しておおよそ下側へ広げたX線である。
・狭い直接X線58 これはサンプル22をX線の光路からはずし、シャッター38を再びX線の低角度部分をカットオフするよう配置した場合のアレイ32に入射するX線である。
・広い直接X線59 これはサンプル22とシャッター38の両方をX線の光路からはずした場合で、X線57を、通常ゼロ角度を超えたその上方まで拡張したものである。
ゼロ角度の近くでは、X線57によりアレイ32で捕捉される信号は鋭いカットオフを有さないが、むしろ漸進的に増加し、完全にスムーズではないことに注意する(簡単化のため、図3にはこの漸進的増加は示されていない)。そのため、この信号だけに基づいてゼロ角度を決定することは困難である。
FIG. 5 (a) shows four different radiation configurations.
Narrow reflected
Wide reflected
Narrow
Wide
Note that near the zero angle, the signal captured by the
図5(b)はX線55、57、58及び59による照射下でアレイ32により得た測定結果の概略プロット図である。その結果は、水平(角度)軸における各画素に対し、狭いX線の一つによる画素の強度値と対応する広いX線の一つによる強度値との比、すなわちRATIO=Inarrow/Ibroadとして計算される。ゼロ角度より下方の仰角、プロットの左ブランチ61は、X線58がアレイ32に入射した場合の各測定画素値とX線59が入射した場合の測定画素値との比を計算することによって生成される。ゼロ角度より上方の仰角、プロットの右ブランチ63は、X線55がアレイ32に入射した場合の各測定画素値とX線57が入射した場合の測定画素値との比を計算することにより与えられる。
FIG. 5B is a schematic plot of measurement results obtained with the
図5(b)に示すように、シャッター38はゼロ角度近傍の範囲でX線55及び58をカットオフするため、正及び負の角度での前記比は通常ゼロ角度近傍で0となる。カットオン角度では、シャッター38がX線を遮断する角度におおよそ対応し、シャッターエッジから離れた角度の値で約1の値となるよう漸進的に大きくなり、前記比は0を上回って増大する。狭いX線による強度値の局所的変化は、対応する広いX線の強度値の変化で通常キャンセルされるため、ブランチ61及び63は滑らかな曲線となる傾向がある。そのため、半減位置65(強度比が0.5となる点)間の平均角度を取得することで、ゼロ角度を正確に見つけることが可能である。代わりとして、ブランチ61及び63に対し、カーブフィット手順を追加してもよく、フィットパラメータを、ゼロ角度を見つけるために使用してもよい。シャッター38の角度位置は、位置65間の角度距離の半分として与えられる。さらに別の方法として、曲線63が曲線61とオーバーラップするように水平軸上のある点で反転させてもよい。二つの曲線が最もよい重なりを与える反転位置がゼロ角度として同定される。
As shown in FIG. 5B, since the
図5(a)及び図5(b)により例示される方法は、サンプル22の表面上の大体どの点においてもゼロ角度を見つけるために使用することが可能であり、サンプルの性質や、サンプル上に、あるタイプの表面層があるか否かとは無関係である。ゼロ角度を見つけるための本方法は、例えば、ゆがむ傾向のある半導体ウェハーのX線反射計測においては、ゼロ角度がウェハー表面上で変化するため、とりわけ有用である。入射X線が一定なくてさえ、また反射X線におけるどのような角度変化(反射率が角度の関数として連続的に変化するのと同様に)にもかかわらず、本方法は有効でありつづける。さらなる正確さでゼロ角度を決定するために、(アレイ32の異なるポジションで得た信号について)図2から図4について上述した解像度向上方法と本方法を組み合わせてもよい。
The method illustrated by FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b) can be used to find the zero angle at almost any point on the surface of the
本方法の他の利点は、実質的に検査手順を中断することなく、実際のXRR測定と協調して実行できることである。直接X線58及び59の測定は、通常異なるサンプルの測定の間で、サンプル22がシステム20に存在しないときであればいつでも行うことが可能である。また反射X線55及び57の測定は、XRR測定と平行して行うことが可能である。例えばサンプルの表面層密度が約1.5g/cm3より大きい場合、XRR分析では0.15°から4°の角度範囲が使用され、一方ゼロ角度較正には0°から0.15°の範囲を使用することができる。
Another advantage of the method is that it can be performed in concert with actual XRR measurements without substantially interrupting the inspection procedure.
ブランチ63を作るために使用するデータを得るために、例えば、シャッター38は約0.1°を下回るような、X線の低角度部分をカットオフするために前に出され、反射信号は約1から2秒を超える露光時間でアレイ32から得られる。それから、シャッター38は撤収され、さらに反射信号がアレイから得られる。信号は、二つのシャッター位置での露光時間の比に比例して正規化してもよい。正規化された曲線の比はブランチ63を見つけるために計算される。同様の手順が、ブランチ61を作るために使用される。
In order to obtain the data used to make the branch 63, for example, the
図6は、本願発明の実施態様による、半導体デバイス製造用のクラスターツール70の概略上面図である。そのクラスターツールは複数のステーションを有し、それぞれ半導体ウェハー77に薄膜を蒸着するための蒸着ステーション72、検査ステーション74、クリーニングステーションといったこの技術で既知の他のステーション76を含む。検査ステーション74は、ここで上述したシステム20と同様の手法で構成され、作動する。ロボット78は、システムコントローラ80の制御の下、ウェハー77をステーション72、74、76、・・・の間で移送する。ツール70の動作は、コントローラ80に連結されたワークステーション82を用いて、オペレータにより制御され、モニタされる。
FIG. 6 is a schematic top view of a
検査ステーション74は、ツール70における蒸着ステーション72や他のステーションで実行される製造工程で選択されたステップの前後においてXRRによるウェハーの検査を行うために使用される。一つの実施態様では、蒸着ステーション72は多孔質低誘電率層といった多孔質薄膜をウェハー77上に作るために使用され、検査ステーション74は、上述したXRR評価を実行する。この配置は、コントローラ80と、あるいはワークステーション82を用いて、製造異常の早期発見と適切な調整、及び製品ウェハーの製造パラメータの評価を可能とする。ゼロ角度の発見と検出解像度の向上についての上述した技術もまたステーション74で使用してもよい。
The
図7は、本願発明の別の実施態様による、半導体ウェハー製造及び製造中の検査のためのシステム90の概略側面図である。システム90は、ウェハー77上に薄膜を作るための、本技術分野で既知であるような蒸着装置94を内包する真空チャンバー92を有する。ウェハーはチャンバー92内の可動ステージ24に取り付けられる。通常、そのチャンバーはX線窓96を有し、上述した米国特許出願番号2001/0043668に記載されたタイプであってもよい。X線源26は上述の方法により窓96の一つを通してウェハー77上の領域28を照射する。図1に示されるシャッター、ナイフエッジ及びスリットは、簡単化のために図7からは省略されているが、一般的にはこの種の素子は線源26かチャンバー92内に集積されている。
FIG. 7 is a schematic side view of a
領域28で反射したX線は窓96の別の一つを通して検出器部30でアレイ32により受光される。プロセッサ40は検出器部30から信号を受信し、チャンバー92内で製造中の薄膜層の特性を評価するために、受信した信号を処理する。システム90が製造する薄膜が、厚さや密度、多孔性といった特性で望ましいものを有するように、この評価結果を蒸着装置94の制御で使用してもよい。ゼロ角度の発見と検出解像度の向上についての上述した技術もまたチャンバー92で使用してもよい。
X-rays reflected at
実施態様では、主として半導体ウェハーの低誘電率層の多孔質特性とともに詳細を記述したが、本願発明の原理は、他のX線反射計測の応用にも使用することが可能であり、放射線に基づく分析の他のタイプや、X線だけでなく、他の電離放射線帯域を用いるものでも同様に使用可能である。このように上記の実施態様は例として言及されており、本願発明は、特にここに記述し、示したものに限定されないということが認識されるべきである。むしろ、本願発明の対象には、ここで記述してきた様々な特徴の組み合わせや部分的組み合わせを含み、そのため当業者が前述の記載を読んだ上で見出す、先行技術に開示されていないバリエーションや変形も同様である。 Although the embodiments have been described in detail primarily with the porous properties of the low dielectric constant layer of the semiconductor wafer, the principles of the present invention can also be used in other X-ray reflectometry applications and are based on radiation. Other types of analysis and those using other ionizing radiation bands as well as X-rays can be used as well. Thus, it should be appreciated that the above embodiments have been referred to by way of example, and that the present invention is not limited to what has been particularly described and shown herein. Rather, the subject matter of the present invention includes combinations and subcombinations of the various features described herein, and therefore variations and modifications not disclosed in the prior art that those skilled in the art will find after reading the foregoing description. Is the same.
20 システム
22 サンプル
24 可動ステージ
26 X線源
30 検出器部
32 検出素子アレイ
33 移動素子
36 ナイフエッジ
38 シャッター
39 スリット
40 信号プロセッサ
46 検出素子
70 クラスターツール
72 蒸着ステーション
74 検査ステーション
77 半導体ウェハー
78 ロボット
80 システムコントローラ
90 システム
92 真空チャンバー
94 蒸着装置
96 X線窓
DESCRIPTION OF
Claims (24)
サンプル表面にX線を向けることに適用される放射線源と、
検出器部であって、
前記表面に対して実質的に直交するアレイ軸に沿って配置され、予め定義されたピッチで相互に分離され、前記表面で反射されたX線を受光し、受光した放射線に応答可能なように信号を生成するために作動する検出素子アレイと、
ピッチの整数倍でない増分で互いに分離されている、少なくとも第1のポジションと第2のポジションとの間でアレイ軸と平行な方向に検出素子アレイをシフトするために連結された可動素子と、を有する検出器部と、
前記表面に対する仰角の関数として前記表面のX線反射率を決定するために、少なくとも前記第1のポジションと前記第2のポジションで検出器部によって生成された信号を合成するために連結された信号プロセッサ、
を有する検査装置。 A sample inspection device,
A radiation source applied to directing X-rays to the sample surface;
A detector section,
Arranged along an array axis substantially orthogonal to the surface, separated from each other by a predefined pitch, so as to receive X-rays reflected by the surface and to be able to respond to the received radiation A sensing element array that operates to generate a signal;
Movable elements coupled to shift the detector element array in a direction parallel to the array axis between at least a first position and a second position, separated from each other by increments that are not an integral multiple of the pitch; Having a detector section;
A signal concatenated to synthesize a signal generated by a detector section at least in the first position and the second position to determine an X-ray reflectivity of the surface as a function of an elevation angle relative to the surface. Processor,
Inspection device having
サンプル表面方向へX線を向けること、
前記表面に対して実質的に直交するアレイ軸に沿って受光した放射線を解像しつつ、前記表面で反射されたX線を受光するために、予め定義されたピッチで相互に分離された検出素子アレイを構成すること、
ピッチの整数倍でない増分で互いに分離された、少なくとも第1のポジションと第2のポジション間で、アレイ軸に平行な方向で検出素子アレイをシフトすること、
少なくとも前記第1のポジションと前記第2のポジションそれぞれで受光したX線に応答可能なように、検出素子により生成された少なくとも第1の信号と第2の信号を受信すること、
前記表面に対する仰角の関数として、前記表面のX線反射率を決定するために、少なくとも前記第1の信号と前記第2の信号を合成すること、
を含む検査方法。 A sample inspection method,
Directing X-rays towards the sample surface,
Detection separated from each other at a predefined pitch to receive X-rays reflected from the surface while resolving radiation received along an array axis substantially orthogonal to the surface Constructing an element array;
Shifting the detector element array in a direction parallel to the array axis, at least between the first position and the second position, separated from each other in increments that are not an integral multiple of the pitch;
Receiving at least a first signal and a second signal generated by a detection element so as to be capable of responding to X-rays received at least at the first position and the second position, respectively.
Combining at least the first signal and the second signal to determine an X-ray reflectivity of the surface as a function of an elevation angle relative to the surface;
Including inspection methods.
半導体ウェハー表面に薄膜層を蒸着することに適用される蒸着ステーションと、
検査ステーションであって、
前記ウェハー表面にX線を向けることに適用される放射線源と、
検出器部であって、
前記表面に対して実質的に直交するアレイ軸に沿って配置され、予め定義されたピッチで相互に分離され、前記表面で反射されたX線を受光するため及び受光した放射線に応答可能なように信号を生成するために作動するようになっている検出素子アレイと、
ピッチの整数倍でない増分で互いに分離されている、少なくとも第1のポジションと第2のポジションとの間でアレイ軸に平行な方向に検出素子アレイをシフトするために連結された可動素子、を有するものと、
前記表面に対する仰角の関数として薄膜層のX線反射率を決定するために、少なくとも前記第1のポジションと前記第2のポジションで検出器部によって生成された信号を合成するために連結された信号プロセッサ、を有するステーション、
を有するクラスターツール。 A cluster tool for manufacturing microelectronic devices,
A deposition station applied to deposit a thin film layer on a semiconductor wafer surface;
An inspection station,
A radiation source applied to direct X-rays on the wafer surface;
A detector section,
Positioned along an array axis substantially orthogonal to the surface, separated from each other by a predefined pitch, to receive X-rays reflected at the surface and to be responsive to received radiation A sensing element array adapted to be activated to generate a signal;
Having movable elements coupled to shift the detector element array in a direction parallel to the array axis between at least a first position and a second position, separated from each other by increments that are not an integral multiple of the pitch things and,
A signal coupled to synthesize a signal generated by a detector section at least in the first position and the second position to determine an X-ray reflectivity of the thin film layer as a function of an elevation angle relative to the surface. Processor, having station,
Cluster tool with
半導体ウェハーを受け入れることに適用される製造用チャンバーと、
前記チャンバー内で半導体ウェハー表面に薄膜層を蒸着することに適用される蒸着装置と、
チャンバー内の半導体ウェハー表面にX線を向けることに適用される放射線源と、
検出器部であって、
前記表面に対して実質的に直交するアレイ軸に沿って配置され、予め定義されたピッチで相互に分離され、前記表面で反射されたX線を受光するため及び受光した放射線に応答可能なように信号を生成するために作動するようになっている検出素子アレイと、
ピッチの整数倍でない増分で互いに分離されている、少なくとも第1のポジションと第2のポジションとの間でアレイ軸に平行な方向に検出素子アレイをシフトするために連結された可動素子、を有するものと、
前記表面に対する仰角の関数として薄膜層のX線反射率を決定するために、少なくとも前記第1のポジションと前記第2のポジションで検出器部によって生成された信号を合成するために連結された信号プロセッサ、
を有する製造用装置。 An apparatus for manufacturing a microelectronic device,
A manufacturing chamber adapted to receive a semiconductor wafer;
A deposition apparatus applied to deposit a thin film layer on a semiconductor wafer surface in the chamber;
A radiation source applied to directing X-rays to a semiconductor wafer surface in a chamber;
A detector section,
Positioned along an array axis substantially orthogonal to the surface, separated from each other by a predefined pitch, to receive X-rays reflected at the surface and to be responsive to received radiation A sensing element array adapted to be activated to generate a signal;
Having movable elements coupled to shift the detector element array in a direction parallel to the array axis between at least a first position and a second position, separated from each other by increments that are not an integral multiple of the pitch things and,
A signal coupled to synthesize a signal generated by a detector section at least in the first position and the second position to determine an X-ray reflectivity of the thin film layer as a function of an elevation angle relative to the surface. Processor,
A manufacturing apparatus comprising:
予め定義された第1のポジションにある放射線源から、予め定義された第2のポジションにある放射線センサへ放射線を向けること、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフするように、シャッターが配置された間に、仰角の関数として第1の直接信号を生成するために放射線源から放射線センサへ直接入射する放射線を検知すること、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフしないように、シャッターが配置された間に、仰角の関数として第2の直接信号を生成するために放射線源から放射線センサへ直接入射する放射線を検知すること、
放射線がサンプル表面に入射するよう、予め定義された第1のポジションにある放射線源と予め定義された第2のポジションにある放射線センサの間にサンプルを置くこと、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフするように、シャッターが配置された間に、仰角の関数として第1の反射信号を生成するためにサンプル表面から放射線センサ上へ反射した放射線を検知すること、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフしないように、シャッターが配置された間に、仰角の関数として第2の反射信号を生成するためにサンプル表面から放射線センサ上へ反射した放射線を検知すること、
前記表面に対する接線の仰角を見つけるために、前記第1の直接信号と前記第2の直接信号の第1の比と、前記第1の反射信号と前記第2の反射信号の第2の比を比較すること、
を含む検査方法。 A sample inspection method,
Directing radiation from a radiation source in a first predefined position to a radiation sensor in a second predefined position;
Detects radiation incident directly from the radiation source to the radiation sensor to generate a first direct signal as a function of elevation angle while the shutter is positioned to cut off radiation at a predefined cutoff angle To do,
Detects radiation incident directly from the radiation source to the radiation sensor to generate a second direct signal as a function of elevation angle while the shutter is positioned so as not to cut off radiation at a predefined cutoff angle To do,
Placing the sample between a radiation source in a first predefined position and a radiation sensor in a second predefined position so that the radiation is incident on the sample surface;
Detects radiation reflected from the sample surface onto the radiation sensor to generate a first reflected signal as a function of elevation angle while the shutter is positioned to cut off radiation at a predefined cutoff angle To do,
Detects radiation reflected from the sample surface onto the radiation sensor to generate a second reflected signal as a function of elevation angle while the shutter is positioned so as not to cut off radiation at a predefined cutoff angle To do,
To find the elevation angle of the tangent to the surface, the first ratio of the first direct signal and the second direct signal and the second ratio of the first reflected signal and the second reflected signal are: Comparing,
Including inspection methods.
アレイ軸と平行な方向に沿って、少なくとも第1のポジションと第2のポジションの間でアレイを移動し、
少なくとも前記第1のポジションと前記第2のポジションで検出素子によって受光された放射線による第1の信号と第2の信号を生成し、
向上された反射信号を生成するために、少なくとも前記第1の信号と前記第2の信号を合成する、
ことを含む請求項13に記載の検査方法。 To detect radiation to determine the direct signal and the reflected signal,
Moving the array between at least a first position and a second position along a direction parallel to the array axis;
Generating a first signal and a second signal by radiation received by a detection element at least in the first position and the second position;
Combining at least the first signal and the second signal to generate an improved reflected signal;
The inspection method according to claim 13.
第1の比が所定の値となる第1の仰角を見つけ、第2の比が所定の値となる第2の仰角を見つけ、及び第1の仰角と第2の仰角の平均となるよう、前記表面に対する接線の仰角を決定する、ことを含む請求項11に記載の検査方法。 To compare the first ratio and the second ratio,
Find the first elevation angle at which the first ratio is a predetermined value, find the second elevation angle at which the second ratio is a predetermined value, and be the average of the first and second elevation angles, The inspection method according to claim 11, further comprising: determining an elevation angle of a tangent to the surface.
放射線を生成することに適用される、予め定義された第1のポジションにある放射線源と、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットするために配置可能なシャッターと、
放射線源で生成された放射線をサンプル表面へ入射させるためにサンプルを適当な場所へ置くために構成される可動ステージと、
仰角の関数として、放射線センサに入射した放射線に応答可能な信号を生成するために放射線を検知することに適用される、予め定義された第2のポジションにある放射線センサと、
前記信号には、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフするように、シャッターが配置された間に、放射線源から放射線センサへ直接入射する放射線に応答可能な第1の直接信号と、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフしないように、シャッターが配置された間に、放射線源から放射線センサへ直接入射する放射線に応答可能な第2の直接信号と、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフするように、シャッターが配置された間に、サンプル表面から放射線センサ上へ反射した放射線に応答可能な第1の反射信号と、
予め定義されたカットオフ角で放射線をカットオフしないように、シャッターが配置された間に、サンプル表面から放射線センサ上へ反射した放射線に応答可能な第2の反射信号とを含み、
前記表面に対する接線の仰角を見つけるために、前記第1の直接信号と前記第2の直接信号の第1の比と、前記第1の反射信号と前記第2の反射信号の第2の比を比較するために連結された信号プロセッサと、
を有する検査装置。 A sample inspection device,
A radiation source in a first predefined position applied to generating radiation;
A shutter that can be arranged to cut radiation at a predefined cutoff angle;
A movable stage configured to place the sample in an appropriate location for the radiation generated by the radiation source to be incident on the sample surface;
A radiation sensor in a predefined second position applied to detecting radiation as a function of elevation angle to produce a signal responsive to radiation incident on the radiation sensor;
The signal includes
A first direct signal responsive to radiation directly incident on the radiation sensor from the radiation source while the shutter is positioned to cut off radiation at a predefined cutoff angle;
A second direct signal that is responsive to radiation directly incident on the radiation sensor from the radiation source while the shutter is positioned so as not to cut off radiation at a predefined cutoff angle;
A first reflected signal responsive to radiation reflected from the sample surface onto the radiation sensor while the shutter is positioned to cut off radiation at a predefined cutoff angle;
A second reflected signal responsive to radiation reflected from the sample surface onto the radiation sensor while the shutter is positioned so as not to cut off radiation at a predefined cutoff angle;
In order to find the elevation angle of the tangent to the surface, the first ratio of the first direct signal and the second direct signal, and the second ratio of the first reflected signal and the second reflected signal are: A signal processor coupled for comparison;
Inspection device having
に適用される、請求項18に記載の検査装置。 The signal processor finds a first elevation angle at which the first ratio is a predetermined value, finds a second elevation angle at which the second ratio is a predetermined value, and sets the first elevation angle and the second elevation angle. Determining an elevation angle of a tangent to the surface by obtaining an average;
The inspection apparatus according to claim 18, which is applied to the inspection apparatus.
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