特開 2024-135495 計測方法、計測装置、および半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024135495

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】計測方法、計測装置、および半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 15/00 20060101AFI20240927BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

G01B15/00 H

H01L21/66 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023046206

(22)【出願日】2023-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】キオクシア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川島 裕嗣

(72)【発明者】

【氏名】松永 健太郎

【テーマコード（参考）】

2F067

4M106

【Ｆターム（参考）】

2F067AA24

2F067AA31

2F067BB04

2F067CC17

2F067EE04

2F067HH04

2F067JJ03

2F067KK09

2F067RR35

4M106AA01

4M106CA48

4M106DH25

4M106DH34

(57)【要約】

【課題】段階的に深さが異なるパターンの周期構造の深さの計測を非破壊で行うこと。
【解決手段】実施形態の計測方法は、開口部からの深さが段階的に異なる複数のパターンの周期構造が形成された基板に対し、照射装置から異なる照射角で照射された電磁波の散乱強度に基づく回折像をそれぞれ取得し、複数の開口部が形成される第１面に基づく回折像を特定する第１の照射角と、パターンの底部が並ぶ第２面に基づく回折像を特定する第２の照射角と、を取得し、第１の照射角、及び第２の照射角の差分に基づいて、第１面と、第２面と、がなす角度を算出することを含む。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

開口部からの深さが段階的に異なる複数のパターンの周期構造が形成された基板に対し、照射装置から異なる照射角で照射された電磁波の散乱強度に基づく回折像をそれぞれ取得し、
複数の前記開口部が形成される第１面に基づく前記回折像を特定する第１の照射角と、
前記パターンの底部が並ぶ第２面に基づく前記回折像を特定する第２の照射角と、を取得し、
前記第１の照射角、及び前記第２の照射角の差分に基づいて、前記第１面と、前記第２面と、がなす角度を算出する、
ことを含む、
計測方法。

【請求項2】

前記角度と、前記角度について予め定められた目標角度と、の差分に基づいて、
前記周期構造の深さと、前記周期構造の目標とする深さと、のずれ量を算出し、
前記ずれ量が基準の範囲内か否かを判断する、
請求項１に記載の計測方法。

【請求項3】

前記目標角度は、
前記周期構造の設計情報に基づいて予め定められる、
請求項２に記載の計測方法。

【請求項4】

前記目標角度は、
前記基板とは異なる基板について取得された回折像に基づいて算出された角度である、
請求項２に記載の計測方法。

【請求項5】

前記基板の反り量に基づいて、所定の基準面に対する前記基板の位置毎の傾斜角を算出し、
前記照射装置、または前記基板を保持する試料台の少なくとも一方を、前記基板の基板面に沿う第１の方向及び、前記基板面に沿うとともに前記第１の方向と交差する第２の方向を中心に回動させることにより、
前記照射角に、前記傾斜角を反映させることをさらに含む、
請求項１に記載の計測方法。

【請求項6】

開口部からの深さが段階的に異なる複数のパターンの周期構造が形成された、基板に対し、照射装置から異なる照射角で照射された電磁波の散乱強度に基づく回折像を取得する計測部と、
複数の前記開口部で形成される第１面に基づく前記回折像を特定する第１の照射角と、前記パターンの底部が並ぶ第２面に基づく前記回折像を特定する第２の照射角と、を取得する特定部と、
前記第１の照射角、及び前記第２の照射角の差分に基づいて、前記第１面と、前記第２面と、がなす角度を算出する演算部と、
を備える、
計測装置。

【請求項7】

複数の第１絶縁層と複数の第２絶縁層とを１層ずつ交互に積層した積層体と、
前記積層体に形成され、開口部からの深さが段階的に異なる複数のパターンの周期構造と、を有する基板を用意し、
前記基板に対し、照射装置から異なる照射角で照射された電磁波の散乱強度に基づく回折像をそれぞれ取得し、
複数の前記開口部が形成される第１面に基づく前記回折像を特定する第１の照射角と、
前記パターンの底部が並ぶ第２面に基づく前記回折像を特定する第２の照射角と、を取得し、
前記第１の照射角、及び前記第２の照射角の差分に基づいて、前記第１面と、前記第２面と、がなす角度を算出し、
前記角度と、前記角度について予め定められた目標角度と、の差分に基づいて、
前記周期構造の深さと、前記周期構造が目標とする深さと、のずれ量を算出し、
前記ずれ量が基準の範囲内か否かを判断することを含む、
半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、計測方法、計測装置、および半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置の製造に際して、段階的に深さが異なる複数のパターンの深さの計測が行われる場合がある。このような計測においては、パターンを上方から撮像した撮像画像のコントラスト等に基づいて深さを計測する技術が用いられている。しかしながら、パターンが所定の深さを超えるとコントラスト等の確保が困難になる場合がある。

【0003】

そこで例えば、基板表面に作成された既知の厚さの被加工膜にパターンの加工を施し、被加工膜を剥離後、基板表面の加工跡を観察することによりパターン深さを推測する等の破壊検査が提案されている。しかしながら、このような破壊検査は、検査後の基板を製品へ利用できなくなる場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２２－１７３２２２号公報

【特許文献2】特開２０２２－３８３８９号公報

【特許文献3】特表２０２１－５１８５３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

１つの実施形態は、段階的に深さが異なるパターンの周期構造の深さの計測を非破壊で行うことが可能な計測方法、計測装置、及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の計測方法は、開口部からの深さが段階的に異なる複数のパターンの周期構造が形成された基板に対し、照射装置から異なる照射角で照射された電磁波の散乱強度に基づく回折像をそれぞれ取得し、複数の前記開口部が形成される第１面に基づく前記回折像を特定する第１の照射角と、前記パターンの底部が並ぶ第２面に基づく前記回折像を特定する第２の照射角と、を取得し、前記第１の照射角、及び前記第２の照射角の差分に基づいて、前記第１面と、前記第２面と、がなす角度を算出することを含む。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施形態にかかる計測装置の構成の一例を模式的に示す図。

【図2】実施形態における基板に形成された周期構造の一例を示す図。

【図3】実施形態におけるＸ線の散乱の概要を説明する図。

【図4】実施形態にかかる統括制御部の機能構成の一例を計測装置の他の構成とともに示すブロック図。

【図5】実施形態にかかる基板の傾斜角の概要を説明する図。

【図6】実施形態における回折像の一例を示す図。

【図7】実施形態における基板の設計情報の一例に、角度を重畳させて示す図。

【図8】実施形態にかかる半導体装置の製造方法の手順の一部を順に例示する図。

【図9】実施形態にかかる半導体装置の製造方法の手順の一部を順に例示する図。

【図10】実施形態にかかる半導体装置の製造方法の手順の一部を順に例示する図。

【図11】実施形態にかかる半導体装置の製造方法の手順の一部を順に例示する図。

【図12】実施形態にかかる半導体装置の製造方法の手順の一部を順に例示する図。

【図13】実施形態にかかる半導体装置の製造方法の手順の一部を順に例示する図。

【図14】実施形態にかかる半導体装置の製造方法の手順の一部を例示するフローチャート。

【図15】変形例１にかかる半導体装置の製造方法の手順の一部を例示するフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0008】

［実施形態］
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。なお、下記の実施形態により、本発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。

【0009】

（計測装置の構成例）
図１は、実施形態にかかる計測装置１の構成の一例を模式的に示す図である。

【0010】

実施形態の計測装置１は、複数のホールパターンを有する基板ＳＢの３次元形状を計測可能な計測装置として構成されている。計測装置１は、計測対象としての基板ＳＢに電磁波としてのＸ線Ｌｉを照射し、その散乱Ｘ線Ｌｏの強度に基づいて基板ＳＢの形状を計測する。計測装置１は、例えばＴ－ＳＡＸＳと呼ばれる、透過型のＳＡＸＳ（Ｓｍａｌｌ ａｎｇｌｅ Ｘ－ｒａｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）である。基板ＳＢは、例えば、シリコンウエハ等の半導体基板である。

【0011】

図１に示すように、計測装置１は、計測機構１０と、統括制御部２０と、動作制御部２１と、記憶装置３１と、表示装置３２と、入力装置３３と、を備える。

【0012】

計測機構１０は、計測装置１の物理的、機械的な構成部分である。計測機構１０は、Ｘ線照射部１１と、計測ステージ１２と、Ｘ線検出部１３と、を有する。

【0013】

なお、本明細書においては、計測ステージ１２に支持される基板ＳＢの基板面（例えば、上面または表面とも称する）に沿う２方向を第１の方向としてのＸ方向、及び第２の方向としてのＹ方向とする。Ｘ方向、及びＹ方向は直交する。また、Ｚ方向は、基板ＳＢの基板面と交差する方向であり、Ｚ方向と、Ｘ方向、及びＹ方向と、は互いに直交する。

【0014】

照射装置としてのＸ線照射部１１は、所定の波長のＸ線を発生させる光源等を含むユニットである。Ｘ線照射部１１は、Ｘ線源１１１と、Ｘ線光学系１１２と、を有する。

【0015】

Ｘ線源１１１は、基板ＳＢに向けてＸ線Ｌｉを照射する。

【0016】

Ｘ線光学系１１２は、Ｘ線源１１１から出射されたＸ線Ｌｉを成形して基板ＳＢへ導く。Ｘ線光学系１１２は、Ｘ線Ｌｉをコリメート化してもよいし、基板ＳＢ近傍で集束させてもよい。

【0017】

試料台としての計測ステージ１２は、基板ＳＢを支持可能なユニットである。計測ステージ１２は、上下方向に延びる支持軸１２１と、中空のリング状部材であるチャック１２２と、を有する。

【0018】

チャック１２２は、パターンが形成されている基板ＳＢの基板面をＸ線照射部１１に向けた状態で基板ＳＢを支持する。チャック１２２は、支持軸の１２１の端部に接続されている。チャック１２２は、Ｘ方向、及びＹ方向に延びる図示せぬ回転軸を中心に回動可能に構成されている。これにより、基板ＳＢに対するＸ線Ｌｉの照射角を、ＹＺ平面、及びＸＺ平面に沿って変更可能となる。言い換えると、基板ＳＢに対し、Ｘ線Ｌｉを異なる照射角で照射可能となる。

【0019】

Ｘ線検出部１３は、基板ＳＢから発生した散乱Ｘ線Ｌｏを受光し、散乱強度に基づく回折像を生成する。Ｘ線検出部１３は、例えば、２次元のアレイ状に配置された複数個の半導体検出素子で構成される。Ｘ線検出部１３は、受光した散乱Ｘ線Ｌｏを、Ｘ線検出部１３の投影領域に配置された半導体検出素子により光電変換する。これにより、回折像が生成される。

【0020】

ここで図２～３を用いて、Ｘ線Ｌｉの照射対象である基板ＳＢと、Ｘ線Ｌｉの散乱の概要について説明する。

【0021】

図２は、実施形態における基板ＳＢに形成された周期構造の一例を示す図である。図２（ａ）は基板ＳＢの透視斜視図である。図２（ｂ）は基板ＳＢの上面図である。図２（ｃ）は、基板ＳＢの全体構成を模式的に示す側面図である。

【0022】

図２（ｃ）に示すように、基板ＳＢ上に形成された所定膜ＦＬには、第１面としての上面ＳＵからの深さｄ（ｄａ，ｄｂ，ｄｃ・・・）が段階的に異なる複数のホールパターンＣＨ（ＣＨａ，ＣＨｂ，ＣＨｃ・・・）が形成されている。ホールパターンＣＨのそれぞれは、上面ＳＵから深さ方向に延びる円柱状である。ホールパターンＣＨのそれぞれは、上面ＳＵに露出する開口部ＯＰと、底部ＢＴと、を有している。また開口部ＯＰのそれぞれと、底部ＢＴのそれぞれの面積は略等しい。これらのホールパターンＣＨの個数は、例えば数十～百程度であってよいが、特に限定されない。なお、以降の説明において、基板ＳＢ上に形成された所定膜ＦＬを含めて「基板ＳＢ」と称することがある。

【0023】

図２（ａ）、（ｂ）は、上述の複数のホールパターンＣＨのうちの一部を示している。図２（ｂ）に示すように、上面ＳＵには、Ｘ方向、及びＹ方向に均一な開口部ＯＰの周期構造が形成されている。具体的には、複数のホールパターンＣＨのうち、ホールパターンＣＨａ～ＣＨｄは、例えばＸ方向に向かって一列に配置されている。また、ホールパターンＣＨａ～ＣＨｄの配列と交差するＹ方向には、これらのホールパターンＣＨａ～ＣＨｄに隣接して、ホールパターンＣＨｅ～ＣＨｈが一列に配置されている。これにより、基板ＳＢの上面ＳＵには、開口部ＯＰが、Ｘ方向、及びＹ方向に周期的に並ぶこととなる。

【0024】

図２（ａ）に示すように、ホールパターンＣＨの底部ＢＴのそれぞれを結んでできる第２面としての傾斜面ＳＰには、Ｘ方向、及びＹ方向に均一な底部ＢＴの周期構造が形成されている。具体的には、複数のホールパターンＣＨのうち、ホールパターンＣＨａ～ＣＨｄは、例えばＸ方向に向かって順次、上面ＳＵからの深さｄが減少するように一列に配置されている。これらのホールパターンＣＨａ～ＣＨｄにおいて、隣接するホールパターンＣＨの底部ＢＴ同士の深さｄの差は、例えば１００～２００ｎｍ程度である。また、ホールパターンＣＨａ～ＣＨｄの配列と交差するＹ方向には、これらのホールパターンＣＨａ～ＣＨｄに隣接して、同様に上面ＳＵからの深さｄが減少していくホールパターンＣＨｅ～ＣＨｈが一列に配置されている。ホールパターンＣＨｅ～ＣＨｈのうち最も深いホールパターンＣＨｅの深さｄｅは、ホールパターンＣＨａ～ＣＨｄのうち最も浅いホールパターンＣＨｄの深さｄｄよりも小さい。ホールパターンＣＨｄ，ＣＨｅの底部ＢＴの深さｄｄ、ｄｅの差も、例えば１００～２００ｎｍ程度であってよいが特に限定されない。

【0025】

このように、基板ＳＢには、一方方向に向かって順次、底部ＢＴの深さｄが段階的に減少していく複数列のホールパターンＣＨａ～ＣＨｄ，ＣＨｅ～ＣＨｈ，ＣＨｉ～ＣＨｌ，ＣＨｍ～ＣＨｐ・・・が、これらの配列方向と交差する方向に配置されている。このようなホールパターンＣＨのそれぞれの底部ＢＴを結ぶと、ホールパターンＣＨｄ、ＣＨｈ、ＣＨｌが配置される側から、ホールパターンＣＨａ、ＣＨｅ、ＣＨｉが配置される側に向かって下る傾斜面ＳＰが形成される。このような傾斜面ＳＰには、ホールパターンＣＨａ～ＣＨｄ，ＣＨｅ～ＣＨｈ，ＣＨｉ～ＣＨｌ，ＣＨｍ～ＣＨｐ・・それぞれの底部ＢＴがＸ方向、及びＹ方向に周期的に並ぶこととなる。

【0026】

このとき、図２（ｃ）に示すように、上面ＳＵと、傾斜面ＳＰと、のなす角は、角度θである。即ち、角度θは、上面ＳＵに対する傾斜面ＳＰの傾きの度合いを示す。角度θを特定することにより、底部ＢＴの周期構造の深さｄ（ｄａ，ｄｂ，ｄｃ・・・）が特定可能となる。

【0027】

ただし、図２（ａ）（ｂ）に示すこれら複数のホールパターンＣＨの配列順、及び配置位置等はあくまで一例であり、基板ＳＢの複数のホールパターンＣＨは上記とは異なる配列順、または配置を有していてもよい。

【0028】

図３は、実施形態におけるＸ線Ｌｉの散乱の概要を説明する図である。図３（ａ）は、Ｘ線照射部１１から照射されるＸ線Ｌｉ、及び基板ＳＢで散乱される散乱Ｘ線Ｌｏの一例を示す模式図である。図３（ｂ）～（ｃ）は、散乱Ｘ線Ｌｏにより得られる回折像ＩＭの一例を示している。

【0029】

図３（ａ）に示すように、Ｘ線Ｌｉは、基板ＳＢに対し照射角αで照射される。照射角αは、基板ＳＢの基板面と直交する軸Ａｘに対する角度である。Ｘ線Ｌｉは、基板ＳＢに形成されたホールパターンＣＨによって散乱される。

【0030】

例えば、Ｘ線Ｌｉが、基板ＳＢに形成されたＸＹ方向に均一な周期構造に対して略垂直に当たっている場合、散乱Ｘ線Ｌｏは、Ｘ及びＹ方向に均一に散乱される。即ち例えば、Ｘ線Ｌｉが、上面ＳＵ、及び傾斜面ＳＰのそれぞれに対して略垂直に当たっている場合には、散乱Ｘ線Ｌｏは、Ｘ及びＹ方向に均一に散乱される。これにより、図３（ｂ）に示すような、対称性を有する回折像ＩＭが得られる。

【0031】

一方で、例えば、Ｘ線Ｌｉが、基板ＳＢに形成された周期構造に対して略垂直に当たっていない場合、散乱Ｘ線Ｌｏは、Ｘ及びＹ方向において不均一に散乱される。これにより、図３（ｃ）に示すような、非対象の回折像ＩＭが得られる。

【0032】

このように、回折像ＩＭを解析することにより、基板ＳＢに形成された周期構造の微妙な変化を把握できる。このような回折像ＩＭは、Ｘ線検出部１３によって統括制御部２０へ送信される。

【0033】

図１に戻り、統括制御部２０は、計測装置１の全体を管理する。例えば、統括制御部２０は、各種の制御信号を生成して動作制御部２１へと送ることにより、計測機構１０を制御する。統括制御部２０の詳細の構成については後述する。

【0034】

動作制御部２１は、統括制御部２０からの指示に基づいて、計測機構１０の動作を制御する。例えば、動作制御部２１は、計測ステージ１２の回転方向、及び回転角度等の動作を制御することにより、基板ＳＢに対するＸ線Ｌｉの照射角αを調整する。また例えば、動作制御部２１は、Ｘ線照射部１１を制御することにより、Ｘ線の出力等を調整する。

【0035】

記憶装置３１は、例えばＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、またはＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶媒体である。記憶装置３１は、統括制御部２０の補助記憶装置として機能する。記憶装置３１には、例えばＸ線検出部１３に出力された回折像ＩＭ、傾斜角取得部２０１において特定された基板ＳＢの傾斜角β、ホールパターンＣＨの設計情報（設計データ）、各種計測条件、及びホールパターンＣＨの形状の良否を判定するための基準としての判定基準値等が格納される。

【0036】

表示装置３２は、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ等のモニタである。表示装置３２は、例えば上述の回折像ＩＭ、基板ＳＢの傾斜角β、ホールパターンＣＨの設計情報、各種計測条件、及び判定基準値等を表示する。

【0037】

入力装置３３は、例えばキーボード、マウス、その他計測装置１のユーザの、統括制御部２０への指示を入力可能なインターフェースである。ユーザは、入力装置３３を介して、計測装置１への指示、各種計測条件、及び判定基準値等を入力できる。

【0038】

（統括制御部の構成例）
次に、図４を用いて、実施形態の計測装置１が備える統括制御部２０の詳細の構成例について説明する。図４は、実施形態にかかる統括制御部２０の機能構成の一例を計測装置１の他の構成とともに示すブロック図である。

【0039】

実施形態の統括制御部２０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を備えたコンピュータとして構成されている。統括制御部２０のＣＰＵが、ＲＯＭ等に格納される制御プログラムをＲＡＭに展開して実行することで、以下に述べる機能部が実現される。

【0040】

図４に示すように、統括制御部２０は、機能部として、傾斜角取得部２０１と、計測部２０２と、画像取得部２０３と、表示制御部２０４と、特定部２０５と、演算部２０６と、判定部２０７と、を有する。

【0041】

図５は、実施形態にかかる基板ＳＢの傾斜角βの概要を説明する図である。

【0042】

基板ＳＢには、その基板面に種々の層が積層して形成されている場合がある。そのため、図５に示すように、基板ＳＢは、基準面ＢＬに対してお椀状に反るように変形していることがある。このとき例えば、基板ＳＢの中心点Ｏからｒａだけ離間した位置Ｐａと、基板ＳＢの中心点Ｏからｒｂだけ離間した位置Ｐｂと、では基準面ＢＬに対する傾きが異なる。これにより、位置Ｐａと、位置Ｐｂと、において、Ｘ線Ｌｉの照射角αが異なる場合がある。

【0043】

図４に戻り、傾斜角取得部２０１は、図示せぬ反り測定器から、基板ＳＢの反り量を取得する。反り測定器は、例えばレーザ変位センサを有する測定器である。反り測定器は、基板ＳＢの各位置において、当該位置と、基準面ＢＬと、の間の距離を測定する。基準面ＢＬは、例えば、反り測定器の基板ＳＢを載置するステージの上面である。反り測定器は、測定した距離と、当該位置の位置情報と、を対応づけた反り量情報を基板ＳＢの位置毎に出力する。

【0044】

傾斜角取得部２０１は、基板ＳＢの位置毎の反り量情報に基づいて、基準面ＢＬに対する基板ＳＢの傾斜角βを算出する。傾斜角取得部２０１は、基板ＳＢの位置毎に算出された傾斜角βを記憶装置３１へ格納する。

【0045】

計測部２０２は、動作制御部２１に各種の制御信号を送り、計測機構１０を制御する。

【0046】

計測部２０２は、傾斜角取得部２０１において算出された傾斜角βに基づき、計測ステージ１２の動作を制御する。具体的には、計測部２０２は、Ｘ線Ｌｉの照射角αに、基板ＳＢの傾斜角βが反映されるように、計測ステージ１２を、回動させる。言い換えると、計測部２０２は、基板ＳＢの傾斜角βを加味した上で、Ｘ線Ｌｉが所定の照射角αなるように、計測ステージ１２を回動させる。これにより、基板ＳＢの反りの有無によらず、基板面内で、Ｘ線Ｌｉの照射角αを均一にすることができる。

【0047】

また、計測部２０２は、ユーザにより入力されたＸ線Ｌｉの照射角αの設定範囲に基づいて、計測ステージ１２を回動させる。具体的には例えば、計測部２０２は、ユーザによる入力に基づき、Ｙ方向に延びる回転軸を中心に計測ステージ１２を回動させる。これにより、入力された設定範囲において、Ｘ線Ｌｉの照射角αが、ＸＺ平面に沿う方向に順次変更される。即ち、基板ＳＢに対し、Ｘ線Ｌｉが異なる照射角αで照射される。このときの、照射角αの最小の刻み幅は、例えば０．０１３°程度であってよい。

【0048】

計測部２０２は、Ｘ線検出部１３を制御して、設定範囲の照射角αにおける回折像ＩＭを生成させる。

【0049】

画像取得部２０３は、Ｘ線検出部１３において生成された回折像ＩＭを取得する。画像取得部２０３は、取得した複数の回折像ＩＭを記憶装置３１に格納する。また、画像取得部２０３は、これら複数の回折像ＩＭを記憶装置３１から読み出す。

【0050】

表示制御部２０４は、表示装置３２における各種の表示を制御する。具体的には、表示制御部２０４は、例えばユーザからの指示にしたがって、複数の回折像ＩＭを表示装置３２に表示させる。また、表示制御部２０４は、ホールパターンＣＨの設計情報、並びに入力装置３３から入力された各種計測条件、及び判定基準値等を表示装置３２に表示させる。

【0051】

図６は、実施形態における回折像ＩＭの一例を示す図である。図６は、Ｘ線Ｌｉの照射角αの設定範囲として、例えば、－１．２°から＋６．４°がユーザにより入力された場合の例を示している。図６（ａ）～（ｆ）のそれぞれには、各照射角αにおける基板ＳＢの模式図、及びそのときの回折像ＩＭが例示されている。なお、例えば図６（a）に示すように、Ｘ線Ｌｉが軸Ａｘに沿うときの基板ＳＢの傾きを基準として、基板ＳＢを図６（a）における反時計回りの方向に傾けたときの照射角αには、－（マイナス）を付して示す。一方、例えば図６（ｆ）に示すように、Ｘ線Ｌｉが軸Ａｘに沿うときの基板ＳＢの傾きを基準として、基板ＳＢを図６（ｆ）における時計回りの方向に傾けたときの照射角αには、＋（プラス）を付して示すものとする。

【0052】

図６（ａ）～（ｆ）に示すように、基板ＳＢに対する照射角αが、－１．２°から順次変更されることで、異なる複数の回折像ＩＭが生成される。特定部２０５は、複数の回折像ＩＭのうち、対称性を有する回折像ＩＭを特定する。具体的には例えば、図６に示す例において、特定部２０５は、対称性を有する回折像ＩＭとして、図６（ｂ）の回折像ＩＭ１と、図６（ｅ）の回折像ＩＭ２と、を特定する。

【0053】

特定部２０５は、回折像ＩＭの対称性の有無の判断に際し、例えば、各回折像ＩＭに含まれる強度分布の、横方向、及び縦方向のピクセルを算出する。そして、特定部２０５は、縦方向と横方向のピクセルの差が所定の閾値以下である場合に、当該回折像ＩＭが対称性を有すると判断してもよい。

【0054】

図６に示す例において特定された２つの回折像ＩＭ１、及びＩＭ２のうち、図６（ｂ）に示す回折像ＩＭ１は、例えば、Ｘ線Ｌｉが、基板ＳＢの上面ＳＵに対して略垂直に入射したときに生成された回折像ＩＭである。特定部２０５は、このような回折像ＩＭ１が得られたときの照射角αである－０．２°を、第１の照射角としての照射角α１と特定する。照射角α１は、基板ＳＢの上面ＳＵに対して略垂直である。

【0055】

また、図６に示す例において特定された２つの回折像ＩＭ１、及びＩＭ２のうち、図６（ｅ）に示す回折像ＩＭ２は、例えば、Ｘ線Ｌｉが、基板ＳＢの傾斜面ＳＰに対して略垂直に入射したときに生成された回折像ＩＭである。特定部２０５は、このような回折像ＩＭ２が得られたときの照射角αである＋５．４°を、第２の照射角としての照射角α２と特定する。照射角α２は、基板ＳＢの傾斜面ＳＰに対して略垂直である。

【0056】

演算部２０６は、照射角α１と、照射角α２の差分を算出する。これにより、図２で説明した、基板ＳＢの上面ＳＵと、傾斜面ＳＰと、がなす角度θが特定される。

【0057】

次に、図７を用いて、角度θの概略について説明する。

【0058】

図７は、実施形態における基板ＳＢの設計情報の一例に、角度θを重畳させて示す図である。図７は、図２で説明したホールパターンＣＨａ～ＣＨｄそれぞれの中心を通るＸＺ断面図である。

【0059】

基板ＳＢの設計情報には、例えば、ホールパターンＣＨの周期構造の設計寸法に関する情報が含まれる。具体的には図７に示すように、設計情報には、ホールパターンＣＨのピッチＰｔ、ホールパターンＣＨが形成されている個数Ｎ、ホールパターンＣＨａの深さｄｒ（ｄａｒ，ｄｂｒ，ｄｃｒ，・・・）、隣接するホールパターンＣＨの底部ＢＴ同士の高さの差ｇ等の情報が含まれている。ホールパターンＣＨのピッチＰｔは、例えば、１～２ｕｍ程度である。また、ホールパターンＣＨの個数Ｎは、例えば６０個程度である。また、ホールパターンＣＨａの深さｄａｒは、例えば、８ｕｍ程度である。また、隣接するホールパターンＣＨの底部ＢＴ同士の高さの差ｇは、例えば、１２０～１８０ｎｍ程度である。

【0060】

また、基板ＳＢの設計情報には、設計上の上面ＳＵｒと、設計上の傾斜面ＳＰｒと、のなす目標角度φが含まれている。図７に示すように、上面ＳＵｒは、設計上の開口部ＯＰｒにより形成される面である。また、傾斜面ＳＰｒは、設計上の底部ＢＴｒによって形成される面である。目標角度φは、複数のホールパターンＣＨのピッチＰｔ、ホールパターンＣＨの個数Ｎ、及びホールパターンＣＨのうち底部ＢＴの深さが最も深いホールパターンＣＨａの深さｄａｒ等に基づいて算出できる。目標角度φは、例えば、３．４°程度である。このような設計情報は、予め記憶装置３１に格納されている。

【0061】

演算部２０６は、記憶装置３１から上述のような設計情報を取得する。そして演算部２０６は、設計情報に含まれる目標角度φと、特定した角度θと、の差分角度εを算出する。これにより、設計上の傾斜面ＳＰｒと、傾斜面ＳＰと、ずれを特定できる。なお、差分角度εは、例えば０．０１７°である。

【0062】

また、演算部２０６は、算出した差分角度εと、上述のような設計情報と、に基づいて、ホールパターンＣＨの周期構造の深さｄ（ｄａ，ｄｂ，ｄｃ・・・）と、ホールパターンＣＨの設計上の深さｄｒ（ｄａｒ，ｄｂｒ，ｄｃｒ・・・）と、のずれ量δ（δａ，δｂ、δｃ・・・）を算出する。深さｄｒは、ホールパターンＣＨの周期構造の目標とする深さである。ずれ量δは、Ｘ方向に沿って段階的に異なっている。

【0063】

表示制御部２０４は、算出した差分角度ε、及びずれ量δを表示装置３２に出力させる。

【0064】

判定部２０７は、ユーザにより入力された判定基準値に基づき、例えば特定された差分角度εが、判定基準値の範囲内であるか否かを判定する。これにより、ホールパターンＣＨの形状の良否を判断できる。

【0065】

（半導体装置の製造方法）
次に、図８～図１４を用いて、実施形態の半導体装置１００の製造方法について説明する。

【0066】

図８～１３は、実施形態にかかる半導体装置１００の製造方法の手順の一部を順に例示する図である。図８～１３は、基板ＳＢのＸＺ断面図である。

【0067】

図８に示す処理の前に、基板ＳＢ上には、図示せぬ周辺回路が形成され、周辺回路を覆う絶縁層５０が形成済であるものとする。そして、絶縁層５０上には、下部ソース線ＤＳＬａ、中間絶縁層ＳＣＯ、上部ソース線ＤＳＬｂが、この順に形成されている。また、上部ソース線ＤＳＬｂ上には、第１絶縁層としてのＳｉＮ層等の絶縁層ＮＬと、第２絶縁層としてのＳｉＯ_２層等の絶縁層ＯＬと、が１層ずつ交互に複数積層された積層体ＬＭｓが形成されている。絶縁層ＮＬは、後に導電材料等に置き換えられてワード線ＷＬとなる犠牲層として機能する。１層ずつ積層された絶縁層ＮＬと絶縁層ＯＬと、の層厚は４０～６０ｎｍ程度である。また、絶縁層ＮＬと、絶縁層ＯＬとは、交互に１００～２００層程度積層されている。

【0068】

図８に示すように、積層体ＬＭｓの上面に、複数のホールパターン７１ｈを有するマスクパターン７１ｐを形成する。マスクパターン７１ｐは、例えば、ＳｉＯ_２層等の絶縁層または炭素を含む有機層である。

【0069】

図９に示すように、マスクパターン７１ｐの一部を覆うレジストパターン８１ｐを積層体ＬＭの上面に形成する。レジストパターン８１ｐは、例えば感光性の有機膜等であるレジスト膜を塗布して一部を感光させることで形成される。レジストパターン８１ｐから露出したマスクパターン７１ｐを介して、積層体ＬＭｓを加工し、絶縁層ＮＬ１に到達するホールパターンＣＨ１を形成する。そして、レジストパターン８１ｐを剥離する。

【0070】

図１０に示すように、マスクパターン７１ｐの一部を覆うレジストパターン８１ｐを積層体ＬＭｓの上面に形成する。レジストパターン８１ｐから露出したマスクパターン７１ｐを介して、積層体ＬＭｓを加工し、積層体ＬＭｓの絶縁層ＮＬ２に到達するホールパターンＣＨ２を形成する。そして、レジストパターン８１ｐを剥離する。このとき、レジストパターン８１ｐから露出した既に形成済みのホールパターンＣＨ１がより深く加工され、絶縁層ＮＬ３に到達する。この結果、積層体ＬＭｓにおける深さが順に増していくホールパターンＣＨ１、ＣＨ２が形成される。そして、レジストパターン８１ｐを剥離する。

【0071】

図１１に示すように、マスクパターン７１ｐの一部を覆うレジストパターン８１ｐを積層体ＬＭｓの上面に形成する。レジストパターン８１ｐから露出したマスクパターン７１ｐを介して、積層体ＬＭｓを加工し、積層体ＬＭｓの絶縁層ＮＬ４に到達するホールパターンＣＨ３を形成する。そして、レジストパターン８１ｐを剥離する。このときレジストパターン８１ｐから露出した既に形成済みのホールパターンＣＨ１、ＣＨ２がより深く加工され、それぞれ絶縁層ＮＬ５、ＮＬ６、ＮＬ７に到達する。この結果、積層体ＬＭｓにおいて、深さが順に増していくホールパターンＣＨ１、ＣＨ２、及びＣＨ３が形成される。この後、レジストパターン８１ｐ、及びマスクパターン７１ｐを剥離する。

【0072】

形成されたホールパターンＣＨ１、ＣＨ２、及びＣＨ３に、例えば、図示しない犠牲層を埋めた状態で、積層体ＬＭｓの絶縁層ＮＬをワード線ＷＬに置換し、積層体ＬＭを形成する。ワード線ＷＬは、タングステン層またはモリブデン層等である。

【0073】

図１２に示すように、図示しない犠牲層を除去した後、ホールパターンＣＨ１、ＣＨ２、及びＣＨ３の内面にＳｉＯ２層等の絶縁層Ｓｃを形成する。絶縁層Ｓｃは、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により形成される。

【0074】

図１３に示すように、ホールパターンＣＨ１、ＣＨ２、及びＣＨ３の底面をＲＩＥなどの異向性エッチングを行い、底面のワード線ＷＬ１～７を露出させる。その後、ホールパターンＣＨ１、ＣＨ２、及びＣＨ３のそれぞれに、ワード線ＷＬ１～７と接続されるコンタクトプラグが形成される。

【0075】

実施形態におけるホールパターンＣＨ１、ＣＨ２、及びＣＨ３は、例えば、コンタクトホールに相当し、実施形態における半導体装置１００は、例えば、３次元ＮＡＮＤフラッシュメモリ等の不揮発性メモリを含む。ホールパターンＣＨ１、ＣＨ２、及びＣＨ３に対して基板ＳＢの表面に沿う方向には、積層体ＬＭｓに形成されたメモリセルアレイを有する。

【0076】

なお、図８～１３の例において、積層体ＬＭｓは２００層程度であることを想定したが、この例に限定されない。任意の積層数の積層体ＬＭｓに対し、レジストパターン８１ｐの形成と、積層体ＬＭｓの加工と、を繰り返すことで、深さが順に増していく複数のホールパターンＣＨの周期構造を形成できる。

【0077】

次に、図１１において積層体ＬＭｓに形成されたホールパターンＣＨ１～ＣＨ３の周期構造の深さを、上述の計測装置１により計測する工程について、図１４を用いて説明する。計測装置１における計測処理は、半導体装置１００の製造方法の一環として行われる。

【0078】

図１４は、実施形態にかかる半導体装置１００の製造方法の手順の一例を示すフローチャートである。

【0079】

傾斜角取得部２０１は、基板ＳＢの位置毎の反り量情報に基づいて、基板ＳＢの位置毎の傾斜角βを算出する（Ｓ１）。

【0080】

計測部２０２は、Ｘ線源１１１を制御して、Ｘ線Ｌｉを照射させる。計測部２０２は、ユーザにより入力されたＸ線Ｌｉの照射角αの設定範囲に基づき、例えば計測ステージ１２をＹ方向に延びる回転軸を中心に回動させる。これにより、Ｘ線Ｌｉの照射角αがＸＺ平面に沿う方向に順次変更される。このとき、計測部２０２は、Ｘ線Ｌｉの照射角αに、基板ＳＢの傾斜角βが反映されるように、Ｘ及びＹ方向に延びる回転軸を中心に計測ステージ１２を適宜回動させる（Ｓ２）。

【0081】

計測部２０２は、Ｘ線検出部１３を制御して、基板ＳＢの回折像ＩＭを出力させる。画像取得部２０３は、出力された回折像ＩＭを取得する（Ｓ３）。

【0082】

特定部２０５は、画像取得部２０３において取得された複数の回折像ＩＭのうち、対象性を有する回折像ＩＭ１、及び回折像ＩＭ１を特定する。回折像ＩＭ１は、上面ＳＵにおける散乱に由来するものである。また、回折像ＩＭ２は、傾斜面ＳＰにおける散乱に由来するものである。特定部２０５は、回折像ＩＭ１を特定する照射角α１、回折像ＩＭ２を特定する照射角α２を取得する（Ｓ４）。

【0083】

演算部２０６は、照射角α１と、照射角α２と、の差分を算出する。これにより、上面ＳＵと、傾斜面ＳＰと、がなす角度θが特定される（Ｓ５）。

【0084】

演算部２０６は、設計情報に基づいて、設計上のホールパターンＣＨにより形成される上面ＳＵｒと、傾斜面ＳＰｒと、のなす目標角度φを取得する（Ｓ６）。

【0085】

演算部２０６は、目標角度φと、角度θと、の差分角度εを算出する（Ｓ７）。演算部２０６は、算出した差分角度εと、設計情報と、に基づいて、ホールパターンＣＨの周期構造の深さｄと、ホールパターンＣＨの設計上の深さｄｒと、のずれ量δを算出する（Ｓ８）。

【0086】

判定部２０７は、判定部２０７は、算出したずれ量δが、判定基準値の範囲内であるか否かを判定する（Ｓ９）。

【0087】

判定部２０７は、ずれ量δが判定基準値の範囲外であると判断した場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、基板ＳＢを不良と判定し、例えば、除外する（Ｓ１０）。またはＳ１０において、基準値の範囲内となるように、追加の加工を行ってもよい。

【0088】

一方、Ｓ９において、判定部２０７が、ずれ量δが判定基準値の範囲内であると判断した場合（Ｓ９：ＮＯ）、処理は終了する。このようにして、計測装置１における計測処理が終了する。そしてこの後、図１２及び１３等の工程を経て、半導体装置１００の製造が終了する。

【0089】

（概括）
実施形態の計測方法によれば、計測部２０２は、Ｘ線照射部１１から異なる照射角αで照射されたＸ線Ｌｉの散乱強度に基づく回折像ＩＭを取得する。特定部２０５は、取得した回折像ＩＭの対称性に基づき、上面ＳＵに基づく回折像ＩＭを特定する照射角α１と、傾斜面ＳＰに基づく回折像ＩＭを特定する照射角α２と、を取得する。演算部２０６は、照射角α１、及び照射角α２の差分に基づいて、上面ＳＵと、傾斜面ＳＰと、がなす角度θを算出する。これにより、周期的に並ぶホールパターンＣＨの段階的に異なる深さｄを、非破壊で特定することができる。

【0090】

実施形態の計測方法によれば、演算部２０６は、角度θと、目標角度φと、の差分角度εに基づいて、ホールパターンＣＨの周期構造の深さｄと、ホールパターンＣＨが目標とする深さｄｒと、のずれ量δを算出する。判定部２０７は、ずれ量δが判定基準値の範囲内か否かを判定する。これにより、基板ＳＢに形成されたホールパターンＣＨの周期構造が、製品としての基準に適合しているか否か判断することができる。

【0091】

実施形態の計測方法によれば、傾斜角取得部２０１は、基板ＳＢの反り量情報に基づいて、基準面ＢＬに対する基板ＳＢの傾斜角βを算出する。計測部２０２は、計測ステージ１２をＸ方向、及びＹ方向に延びる回転軸を中心に回動させることにより、基板ＳＢに対するＸ線Ｌｉの照射角αに、傾斜角βを反映させる。これにより、基板ＳＢの反りの有無に関わらず、基板ＳＢの基板面内において均一の条件で計測処理を行うことができる。

【0092】

［変形例１］
図１５を用いて、変形例１の計測方法について説明する。図１５は、変形例１にかかる半導体装置１００の製造方法の手順の一部を例示するフローチャートである。

【0093】

変形例１の計測方法においては、目標角度φが、予め準備された標準基板を計測することにより特定されている点が、上述の実施形態とは異なる。なお、以下において、上述の実施形態と同様の構成には同様の符号を付し、その説明を省略する場合がある。

【0094】

傾斜角取得部２０１は、標準基板ＳＡの位置毎の反り量情報に基づいて、標準基板ＳＡの位置毎の傾斜角βを算出する（Ｓ１１）。標準基板ＳＡは、基板ＳＢとは異なる基板であって、基板ＳＢのホールパターンＣＨと同一の設計情報に基づいて予め生成されたものである。標準基板ＳＡに形成されたホールパターンＣＨの周期構造は、目標とする深さを有している。

【0095】

計測部２０２は、ユーザにより入力されたＸ線Ｌｉの照射角αの設定範囲に基づき、計測ステージ１２を例えばＹ方向に延びる回転軸を中心に回動させる。これにより、Ｘ線Ｌｉの照射角αがＸＺ平面に沿う方向に順次変更される。このとき、計測部２０２は、Ｘ線Ｌｉの照射角αに、標準基板ＳＡの傾斜角βが反映されるように、Ｘ及びＹ方向に延びる回転軸を中心に計測ステージ１２を適宜回動させる（Ｓ１２）。

【0096】

計測部２０２は、Ｘ線検出部１３を制御して、標準基板ＳＡの回折像ＩＭを出力させる。画像取得部２０３は、出力された回折像ＩＭを取得する（Ｓ１３）。

【0097】

特定部２０５は、標準基板ＳＡについて取得された複数の回折像ＩＭのうち、標準基板ＳＡの上面ＳＵにおける散乱に由来する回折像ＩＭ１と、標準基板ＳＡの傾斜面ＳＰにおける散乱に由来する回折像ＩＭ２と、を特定する。特定部２０５は、回折像ＩＭ１を特定する照射角α１、回折像ＩＭ２を特定する照射角α２を取得する（Ｓ１４）。

【0098】

演算部２０６は、照射角α１と、照射角α２と、の差分を算出する。これにより、標準基板ＳＡの角度θが特定される（Ｓ１５）。角度θは、目標角度φの一例である。演算部２０６は、特定した目標角度φを、記憶装置３１に格納する。

【0099】

この後、変形例１の計測方法においても、図１４のＳ１～Ｓ５の処理が行われる。図１４のＳ５の処理の後、演算部２０６は、標準基板ＳＡにおいて特定された目標角度φを取得する。そして、演算部２０６は、目標角度φと、角度θと、の差分角度εを算出する。

【0100】

変形例１の計測方法によれば、上述の実施形態の計測方法、計測装置と同様の効果を奏する。

【0101】

（その他の変形例）
上述の実施形態、及び変形例においては、基板ＳＢに対するＸ線Ｌｉの照射角αは、計測ステージ１２を、Ｘ方向、及びＹ方向に延びる回転軸を中心に回動させることにより調整されていた。しかしながら、計測ステージ１２に替えて、Ｘ線源１１１を、Ｘ方向、及びＹ方向に延びる回転軸を中心に回動させることにより、照射角αを調整してもよい。このとき、計測部２０２は、動作制御部２１に各種の制御信号を送ることにより、Ｘ線源１１１の動作を制御する。動作制御部２１は、Ｘ線源１１１の回転角度、及び回転方向等の動作を制御することにより、基板ＳＢに対するＸ線Ｌｉの照射角αを調整する。

【0102】

本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0103】

１…計測装置、１０…検査機構、１１…Ｘ線照射部、１２…計測ステージ、１３…Ｘ線検出部、２０‥統括制御部、２１…動作制御部、３１…記憶装置、３２…表示装置、３３…入力装置、１１１…Ｘ線源、１１２…Ｘ線光学系、１２１…支持軸、１２２…チャック、２０１…傾斜角取得部、２０２…計測部、２０３…画像取得部、２０４…表示制御部、２０５…特定部、２０６…演算部、２０７…判定部、ＢＴ…底部、ＣＨ…ホールパターン、ＩＭ…回折像、ＯＰ…開口部、ＳＡ…標準基板、ＳＢ…基板、ＳＵ…上面、ＳＰ…傾斜面、α…照射角、θ…角度、φ…目標角度。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】