JPH08210996A

JPH08210996A - Ｘ線像観察装置

Info

Publication number: JPH08210996A
Application number: JP1668795A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ninomiya; 健二宮; Masaki Hasegawa; 正樹長谷川; Akio Yoneyama; 明男米山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 1996-08-20

Abstract

(57)【要約】【目的】試料表面に形成された微細孔の残膜の有無を迅
速かつ容易に判定できるＸ線装置を提供する。【構成】試料１表面にＸ線２１を照射する。発生した蛍
光Ｘ線５０をゾーンプレート２とピンホール１７を用い
て分光した後、光学素子４を用いて検出器５のＸ線受光
面上に拡大結像して、試料１表面の蛍光Ｘ線像を得る。
このＸ線像を制御装置１４に接続された表示装置１６の
ディスプレー上で観察する。【効果】上記観察により、たとえばウエハを割ることな
く、多数の微細孔に対して微細孔底面の残膜の有無を迅
速に判定できる。さらに、観察後のウエハを製造プロセ
スに戻すことも可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表面分析技術に係り、特
に、ウエハ表面上の微細孔の観察に適したＸ線像観察装
置を提供する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の高集積化を推進するために
は、ディープサブμｍ以下のレベルでの微細加工技術を
確立しなければならない。たとえば、１チップの２５６
ＭｂＤＲＡＭには、直径０．２μｍのコンタクトホール
（微細孔）が数千万個以上形成されている。この微細孔
のうち１ヶ所でも導通不良があればデバイス不良につな
がるため、プロセス途中において、多数の微細孔のなか
から非開口の微細孔を見つけ出す計測技術、すなわち多
数の微細孔に対し底面の残留物（残膜）の有無を短時間
で判定する計測技術が必須技術とされている。

【０００３】従来、この微細孔底面の残膜検出は、加工
後のウエハを割り、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）で観察することにより行われていた。この観察方法
では、場所を特定して正確にウエハを割ることができな
い。従って、この方法で観察できる微細孔は１チップあ
たり数個であり、多数の微細孔を観察することは原理的
に不可能である。また、残膜を検出したとしても、ウエ
ハを割るため観察後のウエハを製造プロセスに戻せず、
製造プロセスへのフィードバックができないという問題
点もある。ギガビット以降の半導体集積回路素子の開発
に対して、観察場所の制限や歩留まりの低下を意味する
上記問題点は致命的である。

【０００４】近年、上記問題点を解決する装置として、
微細孔内部にあるエッチピット等の構造物の観察が可能
な、高エネルギー（＞１００ｋｅＶ）電子ビームを用い
る立体構造観察装置が報告されている（１９９２年１２
月１日付け日刊工業新聞）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記高エネルギー電子
ビームを用いる立体構造観察装置では、微細孔底面の残
膜を一様な平面としてしか観察できないため、観察結果
から残膜の有無を判定することは難しい。特に、デバイ
ス不良の主要原因である厚さ５〜５０ｎｍ程度の薄膜残
留物の観測は、事実上不可能であると言ってよい。さら
に、上記の断面観察装置や立体構造観察装置は、特定の
不良個所を詳細に観察するための装置であり、多数の微
細孔の中から不良個所を探し出すための装置ではない。
以上の議論から明らかなように、上記の従来装置では残
膜自体の検出が不可能であり、非開口の微細孔を見つけ
出す計測技術にはなり得ない。

【０００６】本発明の目的は、ウエハを割ることなく、
多数の微細孔の中から非開口の微細孔を迅速に見つけ出
すためのＸ線像観察装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、試料表面へのＸ線の照射手段、Ｘ線照射により発生
した蛍光Ｘ線の分光手段と結像手段、分光手段もしくは
結像手段あるいは両手段に含まれる複数の光学素子の位
置を蛍光Ｘ線のエネルギーに同期して移動可能な位置制
御手段、およびＸ線像の検出手段とを設けた。

【０００８】

【作用】物質にＸ線を照射すると蛍光Ｘ線が発生する。
蛍光Ｘ線のエネルギー（波長）は元素に固有であるた
め、上記蛍光Ｘ線のエネルギー分析を行うことにより、
元素の同定、従って物質の同定を行うことができる。ま
た、蛍光Ｘ線の発生強度から物質の量を把握することも
できる。

【０００９】微細孔底面の残膜からの蛍光Ｘ線を観測す
るためには、蛍光Ｘ線の観測方法が重要である。半導体
素子製造プロセスにおける主要残留物は、フォトレジス
トやＳｉ酸化膜である。これらを同定するためには、
Ｃ、Ｏ、Ｓｉ等の軽元素を検出しなければならない。Ｘ
線照射により発生したＣＫα線やＯＫα線はそのエネル
ギーが小さいため（＜１ｋｅＶ）、蛍光Ｘ線の発生位置
と観測手段（分光手段あるいは結像手段）との間に障害
物がある場合、障害物内部を透過できず、蛍光Ｘ線の観
測は不可能である。

【００１０】残膜２３にＸ線２１が照射され蛍光Ｘ線２
４、２４’が発生する様子を図２に示した。低エネルギ
ー（＜１ｋｅＶ）Ｘ線を励起光に用いる場合は、先に述
べたようにＸ線が物質を透過しないため、微細孔２２の
真上方向から（すなわち微細孔底面を見通せる方向か
ら）Ｘ線を照射しなければならない。しかし、より大き
なエネルギーを持つＸ線を照射する場合は、Ｘ線の透過
能力が大きいため、（図２に示したように）物質内部を
透過して残膜２３を照射することができる。残膜２３に
照射されるＸ線２１は数１００μｍφ程度に集光されて
いてもよいし、あるいは図２に示したように集光されて
いなくてもよい。集光Ｘ線を用いる場合には、単位面積
あたりの照射Ｘ線強度が増大するため、蛍光Ｘ線２４や
２４’の観測をＳ／Ｎよく行うことができる。照射Ｘ線
の集光サイズに関しては、観測視野の大きさと観測のＳ
／Ｎを考慮して、変更が可能である。

【００１１】先に述べたように、主に軽元素から構成さ
れる残膜からの蛍光Ｘ線２４を観測するためには、その
発生位置と観測手段との間に障害物がない方向から観測
を行われなければならない。すなわち、図２においてＡ
で示した領域から蛍光Ｘ線２４を観測することが必要で
ある。ここで、角αは（観察すべき）微細孔の中心軸か
らの角度と定義され、微細孔２２の直径２ａと深さｄを
用いて、ｔａｎα＝（ａ／ｄ）により決定される。微細
孔の代表例としてＤＲＡＭのコンタクトホールを例にと
り、この角αの推移を微細孔のアスペクト比（ｄ／２
ａ）と共に図３に示した。今後の半導体素子の主流であ
る１Ｍｂ以降のＤＲＡＭに関しては、２６度以内の領域
で蛍光Ｘ線２４を観測することが必要である。本発明で
採用している蛍光Ｘ線の観測手段、すなわち分光手段お
よび結像手段に関しては、これら手段の一部もしくは全
部が、この角αで定義される領域内（すなわち、図２の
領域Ａ内）に設置されるように留意している。

【００１２】蛍光Ｘ線の分光手段としては、入手の簡便
さおよび取扱い易さを考慮すると、ゾーンプレートが最
適である。ゾーンプレートは、Ｘ線の分光と結像を同時
に行うことができる光学素子である。ゾーンプレート以
外にも、必要に応じて、他の分光素子、たとえば、回折
・干渉や反射を利用したＸ線分光素子（たとえば回折格
子や多層膜を利用した反射鏡等）が使用できることは言
うまでもない。

【００１３】本発明では、試料（たとえばウエハ）にＸ
線を照射して発生した蛍光Ｘ線から、分光手段により特
定のエネルギーを有する蛍光Ｘ線を選択して、結像手段
を用いて、選択された蛍光Ｘ線による試料表面の拡大Ｘ
線像を検出手段上に結像する。ここで、結像手段として
は、反射鏡やゾーンプレート等任意の光学素子が使用で
きる。一方、検出手段としては、２次元的な検出能力を
持つ位置分解型検出器を用いている。具体的には、２次
元検出可能なマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）や、
電荷結合素子（ＣＣＤ）、あるいは蛍光板とＴＶカメラ
の組合せ等でよい。ＭＣＰやＣＣＤでは、Ｘ線受光面上
に結像された像を電気的に容易かつ迅速に読み出すこと
ができる。また、蛍光板とＴＶカメラとの組合せでは、
蛍光板上の像をＴＶカメラで写すことができる。像拡大
率としては、観察対象である微細孔の大きさが概略１μ
ｍ以下、および検出手段の空間分解能が１０μｍ程度で
あることを考慮すると、１０倍以上が必要である。すな
わち、検出手段上での拡大された微細孔の大きさが、検
出手段の空間分解能値に比べて大きくなるように配慮す
ることが必要である。観察可能な視野の大きさは、用い
る結像手段の有効視野や検出手段のＸ線受光面の大きさ
により決定される。たとえば、直径２０ｍｍφのＭＣＰ
を用いて、間隔２μｍで並ぶ１μｍφの微細孔を２０倍
の倍率で観測したとすると、５００×５００＝２５００
００個の微細孔を一度に観察できる。より大きな間隔で
微細孔が並んでいるとしても、あるいは結像手段の有効
視野がより小さいとしても、１０００〜１００００個程
度の微細孔の観察が可能であろうことは容易に推測でき
る。

【００１４】先に、入手の簡便さおよび取扱い易さか
ら、分光手段としてはゾーンプレートが最適であると述
べた。次に、分光手段にゾーンプレートを用いた場合の
光学系の調整方法を説明する。ゾーンプレートの焦点距
離ｆはｆ＝ｒ₁ ²／λで与えられる。ここで、ｒ₁はゾー
ンプレートの最内輪帯半径であり、λは蛍光Ｘ線の波長
である。この式から明らかなように、ゾーンプレートで
は、焦点距離が蛍光Ｘ線の波長（エネルギー）により変
化する（この性質のため、蛍光Ｘ線の分光ができる）。

【００１５】ゾーンプレートと等価な光学系の模式図を
図４に示した。ゾーンプレート３０により、Ｘ点の物体
３１の像がＹ点に形成されている（残膜分析では、物体
３１が残膜にあたる）。ゾーンプレートとＸ点との距離
をｘ、ゾーンプレートとＹ点との距離をｙとすると、以
下の関係式が成立する。

【００１６】

【数１】

【００１７】ここで、Ｍはゾーンプレートの像拡大率で
あり、Ｍ＝ｙ／ｘで与えられる。この関係式から明らか
なように、ｘ一定の条件下では、蛍光Ｘ線の波長（エネ
ルギー）が変化するとゾーンプレートの像拡大率が変化
する。このことは、残膜の種類を同定するために蛍光Ｘ
線を分光すると、蛍光Ｘ線のエネルギー毎に（すなわ
ち、Ｘ線分析で同定される元素毎に）観測されるＸ線像
の大きさが異なることを意味する。半導体ウエハ上に
は、多数の同一パタンが形成されている。従って、エネ
ルギー毎に像拡大率が異なると、観測エネルギーを変え
た場合に同一視野が確保できなくなるため、Ｘ線像を総
合的に比較して残膜を同定することが困難になり、分析
精度が大幅に低下する。

【００１８】この像拡大率の変化を防ぐためには、数１
で示した関係式から明らかなように、蛍光Ｘ線波長λ
（すなわちエネルギー）の変化に応じて、像拡大率Ｍが
一定となるように、ｘおよびｙを変化させればよい。す
なわち、蛍光Ｘ線エネルギーに同期して、ゾーンプレー
トと結像点Ｙ（実際の装置構成では、Ｙ点にはピンホー
ル等の光学素子が設置される。詳細は実施例の項で述べ
る）の位置を変化させればよい。これ以外にも、Ｘ線検
出器上での像拡大率を一定に保ついくつかの方法が考え
られるが、詳細については実施例で述べる。各方法に共
通していることは、蛍光Ｘ線のエネルギーに同期して複
数の光学素子の位置を変化、制御することにより、分光
とＸ線検出器上への一定倍率での結像とを行なうことで
ある。この光学素子の位置変化、制御に関しては、位置
制御手段を用いて行う。

【００１９】以上述べたように、本発明では、試料にＸ
線を照射して発生した蛍光Ｘ線を分光して結像すること
により、試料表面上の多数の微細孔の残膜状態を容易か
つ迅速に判定することができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。

【００２１】＜実施例１＞本発明の最も基本的な実施例
を図１に示した。図では、Ｘ線２１が微細孔を有する試
料１に照射されている。このＸ線照射により試料から発
生した蛍光Ｘ線５０（図２における蛍光Ｘ線２４および
２４’）はゾーンプレート２により集光され、板３に設
けられたピンホール１７に試料１表面のＸ線像が結像す
る。このＸ線像を光学素子４で拡大して、検出器５のＸ
線受光面上に再び結像させている。ここで、ゾーンプレ
ート２に関しては、作用の項で詳しく述べたように、ゾ
ーンプレート２の一部もしくは全部が図２の領域Ａ内に
入るように設置されている（以下の実施例においても、
蛍光Ｘ線５０が最初に入射する光学素子や分光素子に関
しては、この条件がみたされるように設置されているも
のとする）。また、検出器５はＭＣＰやＣＣＤ、あるい
は蛍光板とＴＶカメラとの組合せ等でよい。本実施例で
は、ゾーンプレート２による結像と同時に、ゾーンプレ
ート２とピンホール１７を用いて、蛍光Ｘ線５０の分光
も行なっている。

【００２２】ゾーンプレートは、Ｘ線のエネルギー（波
長）により焦点位置や結像位置の異なる光学素子であ
る。従って、板３の位置を光軸の方向に沿って移動させ
ることにより、光学素子４に入射するＸ線のエネルギー
を選択すること、すなわち蛍光Ｘ線５０の分光ができ
る。分光性能を向上させるために、板３に加え、ピンホ
ール等を設けた板を必要に応じて追加できるものとす
る。板３の移動には、板３に接続された移動機構８を用
いる。

【００２３】作用の項で述べたように、ゾーンプレート
を用いて蛍光Ｘ線を分光する場合、板３を動かすだけで
は、ピンホール１７上に結像される試料表面のＸ線像の
大きさが蛍光Ｘ線のエネルギー毎に異なってしまう。こ
のような像拡大率の変化は、異なるエネルギーを持つ
（蛍光Ｘ線により形成された）Ｘ線画像の比較を困難に
し、分析精度を大幅に低下させる。先に述べたように、
この像拡大率の変化を防止するためには、すなわち像拡
大率Ｍを一定に保つためには、数１に示したように、λ
の変化に同期して距離ｘとｙとを同時に変化させること
が必要である。このことは、ゾーンプレート２とピンホ
ール１７すなわち板３の位置を、蛍光Ｘ線のエネルギー
に同期して変化させることに対応する。この位置制御に
関するデータは記憶装置１５に（たとえば、数１のよう
な関係式で）記憶されている。制御装置１４にエネルギ
ー（あるいは波長λ）を入力すると、記憶装置１５のデ
ータをもとに、制御装置１４でゾーンプレート２と板３
の位置が決定され、移動機構８、９を制御するコントロ
ーラ１２、１３に信号が送られ、ピンホール１７上の像
拡大率を一定にするように、ゾーンプレート２と板３の
がＸ線エネルギーに対応した位置に移動する。

【００２４】本実施例では、光学素子４は全反射鏡等波
長に依存しない集光特性を有する光学素子である。この
光学素子４と検出器５は同一のステージ６上に設置され
ている。ピンホール１７の位置が蛍光Ｘ線５０のエネル
ギーに同期して変化するため、光学素子４や検出器５の
位置も、蛍光Ｘ線のエネルギーに応じて、すなわちゾー
ンプレートと板３の移動に同期して移動、調整が必要で
ある。この位置調整には、移動機構７を用いる。以上の
装置構成により、試料１で発生した蛍光Ｘ線５０を分光
して、分光された蛍光Ｘ線を用いて、検出器５のＸ線受
光面上に試料１表面の拡大されたＸ線像を結像できる。
このＸ線像はコントローラ１０を介して制御装置１４に
より読み取られ、表示装置１６のディスプレー上に表示
される。また、このＸ線像の大きさは、蛍光Ｘ線のエネ
ルギーが変化しても変わらない。次に、本実施例におけ
る残膜検出の具体例を説明する。Ｓｉ基板上のＳｉ酸化
膜に微細孔を形成した。これを試料１に用いて、ゾーン
プレート２とピンホール１７により分光されたＯＫα線
で、試料１表面の拡大Ｘ線像を検出器５のＸ線受光面上
に形成した。図５は表示装置１６のディスプレー上に表
示された試料１表面のＸ線像である。（ａ）は完全開口
状態の、（ｂ）は非開口状態の微細孔４１を含む試料１
表面のＸ線像である。図から明らかなように、（ａ）で
は、微細孔底面に酸化膜が残留せずＯＫα線が放出され
ないため、微細孔は暗く写っている。これに対し、
（ｂ）では、非開口の微細孔４１に対しては、薄い残膜
（酸化膜）からＯＫα線が発生しているため、微細孔４
１は（ａ）程暗く写っていない。また、場合によって
は、Ａ点のように、残膜が厚く完全な空白として観察さ
れている部分もある。

【００２５】図６に示されたＸ線像は、酸化膜上にフォ
トレジストが塗布されている試料に対し、レジスト現像
後に得られたＸ線像である。（ａ）では、ＣＫα線のみ
を分光してＸ線像を形成した。図６（ａ）から明らかな
ように、微細孔４２は暗いため残膜はないが、微細孔４
３はやや明るく薄い残膜があることがわかる。下地酸化
膜に含まれる酸素原子からのＯＫα線を分光して形成し
たＸ線像（図６（ｂ））では、この明暗関係が逆転して
おり、上記結論が裏付けられる。さらに、蛍光Ｘ線のエ
ネルギーに同期して、ゾーンプレート等光学素子や検出
器等の位置を変化、制御しているため、図６（ａ）や
（ｂ）に示されたように、蛍光Ｘ線のエネルギーを変え
てもＸ線像の大きさが変化せず、分析結果の対比を容易
に行なうことができる。

【００２６】本実施例によれば、試料にＸ線を照射して
発生した蛍光Ｘ線を分光して試料表面の拡大Ｘ線像を形
成できる。この結果、図５および図６に示したように、
Ｘ線像から多数の微細孔の残膜状態を容易かつ迅速に判
定できる。さらに、Ｘ線を用いた観察技術であるため、
観察後のウエハを製造プロセスに戻すことも可能であ
る。

【００２７】＜実施例２＞図７に本発明の別の実施例を
示した。実施例１と同じく、Ｘ線２１の照射により発生
した蛍光Ｘ線５０をもとに、ゾーンプレート２により、
分光イメージでの試料１表面のＸ線像がピンホール１７
上に結像している。このＸ線像をさらにゾーンプレート
６０を用いて拡大して、検出器５のＸ線受光面上に試料
１表面の拡大Ｘ線像を結像させるシステムである。

【００２８】本実施例では、後段の光学素子にもゾーン
プレート６０を用いている。このため、ゾーンプレート
６０および検出器５に関しても、ゾーンプレート２およ
び板３と同じく、蛍光Ｘ線のエネルギーに同期してその
位置を調整、制御することが必要である。これらの位置
設定や調整、制御に関しては、制御装置１４に接続され
たコントローラ６３、６４で制御された移動機構６１、
６２を用いて行なうことができる。

【００２９】本実施例に示したように、光学素子にゾー
ンプレートを用いる場合には、検出器５も含めて、全て
の光学素子を蛍光Ｘ線のエネルギーに同期して移動させ
なければならないことが多い。このために必要な位置デ
ータは記憶装置１５に格納されており、制御装置１４で
蛍光Ｘ線のエネルギー値を設定すると、位置データが記
憶装置１５から呼び出されて、移動機構が制御される。
さらに、本実施例では、記憶装置１５には試料１表面の
設計パタンデータも記憶されている。この結果、たとえ
ば、表示装置１６のディスプレー上に映しだされた試料
１表面のＸ線像と、記憶装置１５にあらかじめ入力、記
憶されている試料１表面の設計パタンとを自動的に比較
して、不良個所を瞬時に把握することが可能である。

【００３０】本実施例においても、実施例１と同等の効
果を得ることができる。

【００３１】以上、いくつかの実施例をもとに発明の詳
細を説明した。ここに示した実施例の組合せも本発明に
含まれることは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、Ｘ線を照射して発生し
た蛍光Ｘ線を分光して、試料表面の拡大されたＸ線像を
形成できる。この結果、多数の微細孔の残膜の有無を迅
速かつ容易に判定でき、製造プロセスへのフィードバッ
クを迅速に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す装置構成図である。

【図２】残膜へのＸ線照射と発生した蛍光Ｘ線の観測方
向を示す図である。

【図３】ＤＲＡＭの角αとアスペクト比を示す図であ
る。

【図４】ゾーンプレートの等価光学系を示す図である。

【図５】本発明による微細孔の観察例を示す図である。

【図６】本発明による微細孔の観察例を示す図である。

【図７】本発明の一実施例を示す装置構成図である。

【符号の説明】

１…試料、２…ゾーンプレート、３…板、４…光学素
子、５…検出器、６…ステージ、７、８、９…移動機
構、１０、１１、１２、１３…コントローラ、１４…制
御装置、１５…記憶装置、１６…表示装置、１７…ピン
ホール、２１…Ｘ線、２２…微細孔、２３…残膜、２
４、２４’…蛍光Ｘ線、３０…ゾーンプレート、３１…
物体、３２…像、４１、４２、４３…微細孔、５０…蛍
光Ｘ線、６０…ゾーンプレート、６１、６２…移動機
構、６３、６４…コントローラ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料へのＸ線の照射手段、観察すべき微細
孔の直径もしくは一辺の長さを２ａ、深さをｄとした場
合、ｔａｎ（ａ／ｄ）＝θで定まる角度をθとすると、
上記Ｘ線照射により発生した蛍光Ｘ線を微細孔の中心軸
からθの範囲内で定義される領域内で観測可能な分光手
段、蛍光Ｘ線の結像手段、分光手段もしくは結像手段あ
るいは分光手段と結像手段に含まれる複数の光学素子の
位置を蛍光Ｘ線のエネルギーに同期して制御する位置制
御手段、およびＸ線像の２次元検出手段を備えたＸ線像
観察装置。
【請求項２】試料へのＸ線の照射手段、Ｘ線照射により
発生した蛍光Ｘ線を微細孔の中心軸から２６度の範囲内
で定義される領域内で観測可能な分光手段、蛍光Ｘ線の
結像手段、分光手段もしくは結像手段あるいは分光手段
と結像手段に含まれる複数の光学素子の位置を蛍光Ｘ線
のエネルギーに同期して制御する位置制御手段、Ｘ線像
の２次元検出手段を備えたＸ線像観察装置。
【請求項３】上記分光手段もしくは結像手段に含まれる
光学素子がゾーンプレートである請求項１、２記載のＸ
線像観察装置。
【請求項４】上記位置制御手段が、蛍光Ｘ線のエネルギ
ー値と光学素子の特性をもとに光学素子の最適位置を計
算して設定する機能を有する手段である請求項１から３
記載のＸ線像観察装置。
【請求項５】Ｘ線の照射手段がＸ線を集光して照射する
手段である請求項３、４記載のＸ線像観察装置。
【請求項６】試料表面のＸ線像から、微細孔の残膜状態
を自動判定する手段を付加した請求項５記載のＸ線像観
察装置。