特許 6999268 Ｘ線スキャタロメトリーのための方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-24

(45)【発行日】2022-01-18

(54)【発明の名称】Ｘ線スキャタロメトリーのための方法および装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/201 20180101AFI20220111BHJP

【ＦＩ】

G01N23/201

【請求項の数】 19

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2017000795

(22)【出願日】2017-01-05

(65)【公開番号】P2017125848

(43)【公開日】2017-07-20

【審査請求日】2019-09-02

(31)【優先権主張番号】62/276,988

(32)【優先日】2016-01-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】517006463

【氏名又は名称】ブルカー テクノロジーズ リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100086461

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 和則

(72)【発明者】

【氏名】アレックス、クローマル

(72)【発明者】

【氏名】アレックス、ディコポルテセフ

(72)【発明者】

【氏名】ジュリー、ヴィンシュタイン

【審査官】藤田 都志行

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２５０９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０７８９８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２４５８４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３００９６５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－１８２１３９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２３／２０１

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｘ線スキャタロメトリーのための方法であって：
サンプルから散乱されたＸ線ビームの第１の分布を受信するステップと、
ここで前記第１の分布は前記Ｘ線ビームの散乱角がゼロである軸に関し非対称性を示し；
前記第１の分布に対して補正を加え、それにより前記第１の分布と比較して非対称性のレベルが減少した第２の分布を生成するステップと；
前記第２の分布に基づいて前記サンプルの１つまたはそれ以上のパラメータを推計するステップと；
を有することを特徴とするＸ線スキャタロメトリーのための方法。

【請求項2】

前記補正を加えるステップは、前記第１の分布の、前記基準軸をはさんで対向する、対応する角度距離に位置する強度を平均化するステップを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の分布を受信するステップは、前記サンプルを入射Ｘ線ビームに対しそれぞれ第１と第２の方向に配置することにより得られる、前記第１の分布の少なくとも第１のバージョンと第２のバージョンを受け取るステップを有し、そして、前記補正を加えるステップは、最も低いレベルの前記非対称性を有する前記第１の分布の１つのバージョンを前記第２の分布として選択するステップを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記補正を加えるステップは、前記基準軸に関する非対称性補正関数を前記第１の分布に対し適用するステップを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記第１の分布の前記非対称性はバックグラウンド信号に起因し、そして前記非対称性補正関数は、前記バックグラウンド信号に対し補償するために適用される経験的補正に基づく、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記補正関数は、計算されたモデルに基づく、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。

【請求項7】

前記パラメータを推計するステップは前記サンプル上のフィーチャの寸法を測定するステップを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記パラメータを推計するステップは前記サンプル上のフィーチャの間の距離を測定するステップを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記第１の分布は、前記Ｘ線ビームに対し部分的に不透明なビームストッパが前記Ｘ線ビームの中に置かれたときに獲得され、そして、前記方法は前記Ｘ線ビームの角度位置または強度を前記第１の分布に基づいて補正するステップを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項10】

Ｘ線スキャタロメトリーのための装置であって：
サンプルから散乱されたＸ線ビームの第１の分布を受信するように構成されるインタフェースと、
ここで前記第１の分布は前記Ｘ線ビームの散乱角がゼロである軸に関し非対称性を示し；
前記第１の分布に対して補正を加え、それにより前記第１の分布と比較して非対称性のレベルが減少した第２の分布を生成し、そして前記第２の分布に基づいて前記サンプルの１つまたはそれ以上のパラメータを推計するように構成されるプロセッサと；
を有することを特徴とするＸ線スキャタロメトリーのための装置。

【請求項11】

前記プロセッサは、前記第１の分布の、前記基準軸をはさんで対向する、対応する角度距離に位置する強度を平均化することにより前記補正を加える、ように構成されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。

【請求項12】

前記インタフェースは、前記サンプルを入射Ｘ線ビームに対しそれぞれ第１と第２の方向に配置することにより得られる、少なくとも前記第１の分布の第１のバージョンと第２のバージョンを受け取るように構成され、そして、前記プロセッサは、最も低いレベルの前記非対称性を有する前記第１の分布の１つのバージョンを前記第２の分布として選択することにより、前記補正を加えるように構成される、ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。

【請求項13】

前記プロセッサは、前記基準軸に関する非対称性補正関数を前記第１の分布に対し適用するように構成される、ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。

【請求項14】

前記第１の分布の前記非対称性はバックグラウンド信号に起因し、そして前記非対称性補正関数は、前記バックグラウンド信号に対し補償するために適用される経験的補正に基づく、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。

【請求項15】

前記補正関数は、計算されたモデルに基づく、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。

【請求項16】

前記プロセッサは前記サンプル上のフィーチャの寸法を測定するように構成される、ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。

【請求項17】

前記プロセッサは前記サンプル上のフィーチャの間の距離を測定するように構成される、ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。

【請求項18】

前記第１の分布は前記Ｘ線ビームに対し部分的に不透明なビームストッパが前記Ｘ線ビームの中に置かれたときに獲得され、そして、前記プロセッサは前記Ｘ線ビームの角度位置または強度を前記第１の分布に基づいて補正するように構成される、ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。

【請求項19】

コンピュータに使用されるソフトウェアであって、前記ソフトウェアはプログラム命令が保管される有形の非一過性のコンピュータ読み取り可能な媒体を有し、前記命令はプロセッサにより読まれた場合に、前記プロセッサに対し：
サンプルから散乱されたＸ線ビームの第１の分布を受信するステップと、
ここで前記第１の分布は前記Ｘ線ビームの散乱角がゼロである軸に関し非対称性を示し；
前記第１の分布に対して補正を加え、それにより前記第１の分布と比較して非対称性のレベルが減少した第２の分布を生成するステップと；
前記第２の分布に基づいて前記サンプルの１つまたはそれ以上のパラメータを推計するステップと；
を実行するようにさせることを特徴とするコンピュータに使用されるソフトウェア。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般的にＸ線分析に関し、特にＸ線信号の獲得を向上させるための方法およびシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

（関連出願の相互参照）
本出願は２０１６年１月１１日出願の米国暫定特許出願第６２／２７６，９８８（特許文献１）の恩恵を主張し、それはここに参照して採り入れられる。

【0003】

Ｘ線スキャタロメトリー（拡散測定技術）は半導体素子の幾何学的構造を測定するのに使用されてきた。例えば、米国特許出願公開第２０１５／０３６９７５９（特許文献２）、それはここに参照として採り入れられるが、は１つの軸の周りを回転する光源マウントと、光源マウント上のＸ線源を有する装置を記載し、Ｘ線源はＸ線の第１と第２の入射ビームを、軸に垂直なビーム軸に沿った第１と第２の角度でサンプルに衝突するように配向する。検知器マウント上のＸ線検知器は、第１と第２の入射ビームに応答してサンプルを透過する第１と第２のＸ線回折ビームを受信し、そして受信した第１と第２のＸ線回折ビームに応答してそれぞれ第１と第２の信号を出力する。プロセッサは測定されたサンプルの表面のプロファイルを決定するため第１と第２の信号を分析する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】米国暫定特許出願第６２／２７６，９８８

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３６９７５９

【発明の概要】

【0005】

本明細書に記載される本発明の１つの実施形態は、Ｘ線スキャタロメトリーのための方法であって：サンプルから散乱されたＸ線ビームの第１の分布を受信するステップと、ここで第１の分布は基準軸に関し非対称性を示し；第１の分布に対して補正を加え、それにより第１の分布と比較して非対称性のレベルが減少した第２の分布を生成するステップと；第２の分布に基づいてサンプルの１つまたはそれ以上のパラメータを推計するステップと；を有することを特徴とするＸ線スキャタロメトリーのための方法を提供する。

【0006】

いくつかの実施形態では、基準軸はサンプルに対し垂直である。１つの実施形態では、補正を加えるステップは、第１の分布の基準軸をはさんで対向する対応する角度距離に位置する強度を平均化するステップを有する。もう１つの実施形態では、第１の分布を受信するステップは、サンプルを入射Ｘ線ビームに対しそれぞれ第１と第２の方向に配置することにより得られる、第１の分布の少なくとも第１のバージョンと第２のバージョンを受け取るステップを有し、そして、補正を加えるステップは、最も低いレベルの非対称性を有する第１の分布の１つのバージョンを第２の分布として選択するステップを有する。

【0007】

さらに別の実施形態では、補正を加えるステップは、基準軸に関する非対称性補正関数を第１の分布に対し適用するステップを有する。１つの事例的実施形態では、第１の分布の非対称性はバックグラウンド信号に起因し、そして非対称性補正関数は、バックグラウンド信号に対し補償するために適用される経験的補正に基づく。もう１つの実施形態では、補正関数は、計算されたモデルに基づく。

【0008】

いくつかの実施形態では、パラメータを推計するステップはサンプル上のフィーチャの寸法を測定するステップを有する。追加的にまたは代替的に、パラメータを推計するステップはサンプル上のフィーチャの間の距離を測定するステップを有する。１つの実施形態では、第１の分布は、Ｘ線ビームに対し部分的に不透明なビームストッパがＸ線ビームの中に置かれたときに獲得され、そして、方法はさらにＸ線ビームの角度位置または強度を第１の分布に基づいて補正するステップを有する。

【0009】

本発明の１つの実施形態によれば、Ｘ線スキャタロメトリーのための装置であって：サンプルから散乱されたＸ線ビームの第１の分布を受信するように構成されるインタフェースと、ここで第１の分布は基準軸に関し非対称性を示し；第１の分布に対して補正を加え、それにより第１の分布と比較して非対称性のレベルが減少した第２の分布を生成し、そして第２の分布に基づいてサンプルの１つまたはそれ以上のパラメータを推計するように構成されるプロセッサと；を有することを特徴とするＸ線スキャタロメトリーのための装置が追加的に提供される。

【0010】

本発明の１つの実施形態によれば、コンピュータに使用されるソフトウェアであって、ソフトウェアはプログラム命令が保管される有形の非一過性のコンピュータが読み取り可能な媒体を有し、命令はプロセッサにより読まれた場合に、プロセッサに対し：サンプルから散乱されたＸ線ビームの第１の分布を受信するステップと、ここで第１の分布は基準軸に関し非対称性を示し；第１の分布に対して補正を加え、それにより第１の分布と比較して非対称性のレベルが減少した第２の分布を生成するステップと；第２の分布に基づいてサンプルの１つまたはそれ以上のパラメータを推計するステップと；を実行するようにさせる、ことを特徴とするコンピュータに使用されるソフトウェアがまた提供される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

本発明は図面を参照した以下の実施形態の詳細な説明によりより完全に理解されよう：

【図1】本発明の１つの実施形態による小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）の概略図である。

【図2】本発明の１つの実施形態による、ウェハ内部で高アスペクト比（ＨＡＲ）孔が形成され、そしてＸ線がウェハおよび孔で散乱されることを示すウェハの概略断面図である。

【図3】本発明の１つの実施形態による、Ｘ線ビームの入射角の関数としての、ウェハから散乱されたＸ線光子の強度分布を概略示す２次元（２Ｄ）図表である。

【図4】本発明の別の１つの実施形態による、ウェハ内部で高アスペクト比（ＨＡＲ）孔が形成され、そしてＸ線がウェハおよび孔で散乱されることを示すウェハの概略断面図である。

【図5】本発明の１つの実施形態による、反射Ｘ線ビームの散乱角（２Θ）の関数としての、Ｘ線光子の強度分布を示すグラフである。

【図6】本発明の１つの実施形態による、反射Ｘ線ビームの散乱角（２Θ）の関数としての、Ｘ線光子の強度分布、およびビームストッパの不透明性を示すグラフである。

【図7】本発明の１つの実施形態による、ビームストッパの調整可能な実効幅の２つの設定の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

（概論）
スキャタロメトリー技術は、様々なタイプの半導体デバイスおよびテスト構造内に形成されたアレイ内のフィーチャの幾何学的寸法を測定するために使用できる。小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）法などのＸ線技術は、典型的には、数オングストロームのオーダーの波長を有するＸ線を適用し、半導体ウェハ内に形成されたＨＡＲ孔またはトレンチなどの高アスペクト比（ＨＡＲ）フィーチャを測定するのに適している。フィーチャの幾何学的特性の測定は、複数の角度でサンプルから散乱されたＸ線の強度の分析に基づく推定技術を使用して実行される。

【0016】

以下の記述では明確化のため、用語「測定する」、「決定する」および「推計する」は相互交換可能に使用される。さらに用語「トレンチ」と「ライン」は相互交換可能に使用される。

【0017】

しかしながら、ある状況下では、散乱Ｘ線は、深い孔の側壁からのＸ線光子の望ましくない反射を含む可能性があり、それは測定に干渉し、測定品質を低下させる可能性がある。望ましくない反射ビームの程度または強度は、典型的にはフィーチャのアスペクト比とともに増加し、そしてしたがって、ＨＡＲ孔は測定することが困難である。実際には、望ましくない反射は、小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）光子の検出された強度の、サンプルに垂直な軸または他の基準軸に関して非対称な分布として現れることが多い。

【0018】

以下に説明される本発明の実施形態は、測定された強度分布に非対称性を引き起こす望ましくないＸ線反射の存在下での、Ｘ線スキャタロメトリーのための改良された方法およびシステムを提供する。開示された技術は、測定されたＸ線分布を補正して、非対称性のレベルが低減された補正された分布を生成する。 その後の処理、例えば、分布からの幾何学的フィーチャの寸法の測定または決定は、補正された分布に対して実行される。特に、開示された技術は、例えば孔の側壁からの望ましくないＸ線反射によって引き起こされる非対称性を低減することによって、ウェハ内のＨＡＲ孔の正確な測定を可能にする。

【0019】

様々な実施形態において、非対称性の低減は、様々な方法で実行され得る。いくつかの実施形態では、試料は、入射Ｘ線ビームに対して２つまたはそれ以上の方向で測定される。例えば、サンプルは、２つの別々の測定において、サンプルの前面及び背面がそれぞれ入射ビームに面するように配置されてもよい。各方向における測定は、サンプルから散乱されたＸ線ビームのそれぞれのレベルの非対称性を有する、それぞれの強度分布を生成する。分布が最も低いレベルの非対称性を示す測定を選択することによって、正確な測定が得られる。

【0020】

他の実施形態では、非対称性のレベルは、基準軸の両方の側の対応する強度値を平均化することによって低減される。さらに他の実施形態では、基準軸に関して非対称である、測定された強度分布における予想される非対称性を補償するために、経験的またはモデルベースのバックグラウンド関数を強度分布に適用することによって、非対称性のレベルが低減される。

【0021】

（システムの記述）
図１は、本発明の１つの実施形態による小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）システム２０の概略図である。いくつかの実施形態では、システム２０は、後述されるように、スキャタロメトリー技術を使用してサンプル上のフィーチャを測定するように構成される。

【0022】

いくつかの実施形態では、サンプルは、ウェハ２２にエッチングされた、またはその上に配置された高アスペクト比（ＨＡＲ）フィーチャのアレイを有する半導体ウェハ２２を含むことができる。ウェハ２２およびＨＡＲフィーチャの断面図が以下の図３および図４に示されている。しかし、一般に、システム２０は、他の任意の適合するフィーチャを測定するために使用することができる。

【0023】

いくつかの実施形態では、システム２０は、高圧電源ユニット（ＰＳＵ）２６によって駆動されるＸ線源２４などの励起源を備える。いくつかの実施形態では、Ｘ線源２４は、ウェハ２２に侵入するのに適したエネルギー、例えばモリブデン（１７ｋｅＶ）、銀またはインジウムからの特性Ｋα放射線、フラックスおよび角発散を有するＸ線ビームを放射する。Ｘ線ビームはＸ線光学系２８を通過し、それはＸ線ビームを、ウェハの小さな領域２９、典型的には、直径が＜１００μｍのオーダーのスポット上に向け、そして典型的には、少なくとも１つの方向で＜１ミリラジアン（ｍｒａｄ）の角度分解能にコリメートさせるための、スリットのような開口部、結晶のような回折素子または多層ミラーを含むことができる。

【0024】

１つの実施形態では、ウェハ２２はＸ－Ｙ－χ－ωステージ４０のような可動プラットフォーム上に搭載され、それはＸ線ビームに対しＸおよびＹ方向の移動を可能にし、またウェハ２２の表面に対して垂直な軸を中心とした方位角回転χおよびウェハの表面に対して平行な軸を中心とした仰角回転ωを適用する。

【0025】

１つの実施形態では、ステージ４０は、入射ビーム３１がウェハ２２の下面の領域２９に直接衝突するように、開放フレーム（すなわち、中央に材料を有さない）として設計される。ビームは、ウェハを通過し、また、ウェハ２２の上面に形成された高アスペクト比（ＨＡＲ）フィーチャのアレイから散乱される。

【0026】

いくつかの実施形態では、入射ビーム３１は、領域２９上にウェハ２２の下面に垂直に、または任意の他の適切な角度で衝突することができる。入射ビーム３１の一部は、それがサンプルを横切るときに吸収され、透過ビーム３５は、入射ビームと同じ方向にウェハ２２の上面を出射する。フィーチャのアレイから散乱された追加のビーム３３は、ウェハ２２の上面に関して透過ビーム３５とは異なる方向に出射する。

【0027】

いくつかの実施形態では、検出器組立体３２は、１つ以上の領域３０において検出器組立体３２に衝突するビーム３３のＸ線光子を検出するように構成される。１つの実施形態では、Ｘ線非透過性または部分的に非透過性の物質から作られるビームストッパ４２がウェハ２２と組立体３２との間に配置され、そしてビーム３５の少なくとも一部が検出器組立体３２を照射するのを抑止するように構成される。ビームストッパ４２の非透過レベルは、以下の図６に示すように検出器組立体３２によって生成される信号に影響を及ぼす。ビームストッパ４２の１つの実施例が以下の図７に示されている。

【0028】

いくつかの実施形態では、検出器組立体３２は、単一の検出器、または領域３０の周囲に配置された検出器のアレイを含むことができる。ビーム検出器は、２次元（２Ｄ）構成または１次元（１Ｄ）構成で、そしてＸ線光子を計数できる。検出器組立体３２は、平らであってもよいし、またはビーム３３および３５に向かって角度付けされた円弧などの任意の適切な形状を有してもよい。獲得された光子に応答して、検出器組立体３２は電気信号を生成し、それは信号処理ユニット３８に伝達される。

【0029】

いくつかの実施形態では、ユニット３８は、検出器組立体３２から受け取った電気信号を処理するように構成されたプロセッサ３４と、検出器組立体３２とプロセッサ３４との間で電気信号を通信するためのインタフェース３６を備える。

【0030】

いくつかの実施形態では、プロセッサ３４は、検出器組立体３２の検出器によって捕捉されたＸ線光子の散乱強度分布を決定するために検出器組立体３２からデータを取得するように構成される。１つの実施形態では、プロセッサ３４は、 １つまたはそれ以上の入射ビーム角度で測定された強度分布を使用して、以下の図２および図３に示すようなウェハ２２上の幾何学的フィーチャの寸法を推計（決定）する。この実施形態では、プロセッサ３４は、測定された強度分布と計算された強度分布との間の数値差を最小にするように、高さおよび幅などの幾何学的パラメータが自動的に精緻化される、フィーチャの構造モデルから強度分布を計算するように構成される。図２および図４のフィーチャは単純な形状を示しているが、より複雑な形状が適切な幾何学モデルによって記述されうることが理解できる。隣接するフィーチャ間の距離（ピッチ）など、アレイ内のフィーチャの配置を記述する追加のパラメータも、適切な構造モデルを使用して決定することができる。

【0031】

プロセッサ３４は、典型的には、本明細書に記載の機能を実行するようにソフトウェアでプログラムされた汎用コンピュータを含む。ソフトウェアは、例えば、ネットワークを介して電子形式でコンピュータにダウンロードすることができ、あるいは、磁気的、光学的、または電子的メモリなどの非一過性有形媒体に提供および／または格納することができる。１つの実施形態では、ソフトウェアは、検出器組立体３２の制御、データ取得およびデータ解析などの複数のタスクを実行するように構成されている。

【0032】

図１に示すように、システム２０のステージ４０はウェハ２２上の領域２９を調査するために移動可能である。代替的実施形態では、ウェハ２２は、（ステージ４０の代わりに）適切な静止固定具に取り付けられ、一方、Ｘ線源２４、Ｘ線光学系２８および検出器組立体３２は、Ｘ線ビームが領域２９またはウェハ２２上の別の所望の位置を走査するように移動させられる。

【0033】

他の実施形態では、システム２０は、反射および／または回折のような他の機構によってウェハ２２から散乱されたＸ線を捕捉して処理するようにさらに構成することができる。この種の多機能システムは、例えば、米国特許第６，３８１，３０３号および第６，８９５，０７５号に記載されており、これらは参照により本明細書に組み込まれる。

【0034】

図１の例は、Ｘ線システムの１つの特定の構成を示している。しかし、この構成は、概念の明確化のためにのみ選択されている。例えば、システム２０は、ステージ４０の領域２９への移動を支援するための光学顕微鏡（図示せず）のような追加のモジュールをさらに含むことができる。代替の実施形態では、開示された技術は、必要な修正を加えて他のＸ線システムに使用可能であり、または、任意の適切な励起源、電源、集束光学系および検出システムを含む、当技術分野で公知の分析モジュールは、本明細書に記載の方法を実施するために使用することができる。

【0035】

（高アスペクト比（ＨＡＲ）フィーチャから散乱された光子の獲得）
図２は、本発明の１つの実施形態による、ウェハ２２内のＨＡＲフィーチャから散乱された小角Ｘ線ビームの概略断面図である。図２は、ウェハ２２の２つの断面図を示し、両方の図において、ビーム３１はウェハ２２の底面に異なる角度で衝突する。

【0036】

いくつかの実施形態では、ウェハ２２は、線またはトレンチのような反復２次元（２Ｄ）ＨＡＲフィーチャ、または円筒形またはバレル形の孔またはピラーのような３次元（３Ｄ）ＨＡＲフィーチャのアレイを含む。本明細書では、「アスペクト比」という用語は、対象フィーチャ、例えば孔５０の深さと幅（例えば、円形の孔の場合の直径）との間の比率を指す。さらに、「高アスペクト 比（ＨＡＲ）」は、典型的には１０より高いアスペクト比を指す。

【0037】

図２に示す断面図は、明確化のために簡略化されている。実際には、孔５０は、図に示されているよりもウェハ２２の全体の厚さのかなり小さい部分を侵入している。また、実際には、ウェハ２２は、典型的には、１つのアレイに対し数百万までの反復２Ｄ及び／又は３Ｄフィーチャ、例えば孔５０を有するような大型アレイを含む。小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）は、以下に詳細に説明するように、アレイの複数の孔５０に適用される。

【0038】

孔５０は、垂直ＮＡＮＤフラッシュメモリ、またはフィンＦＥＴゲートなどの３Ｄゲートのような半導体素子の製造に、当技術分野で知られている任意の適切な製造技術を用いて使用することができる。垂直ＮＡＮＤメモリの例では、各孔５０は、１００ｎｍ未満の典型的な直径および数μｍ程度の典型的な深さを有する。フィンＦＥＴゲートでは、約１０－５０ｎｍの幅レンジを有するＨＡＲ線が、孔５０の代わりに使用されてもよい。さらに、開示された技術は、半導体に限定されず、適切な寸法を有する任意のデバイスの任意のＨＡＲフィーチャを測定するために使用され得る。

【0039】

図２の例では、ウェハ２２の前面（上側）表面は、両方の断面図において検出器組立体３２に面している。ウェハの前面は、測定されるフィーチャ、例えば、孔５０を含むウェハ側面として定義される。

【0040】

図２の左側断面図を参照する。入射ビーム３１は、ウェハ２２の裏面に実質的に直角に衝突する。散乱Ｘ線ビーム３７は、小角散乱光子、並びに図１に示すビーム３３及び３５のような非散乱光子を含む。１つの実施形態では、ビーム３７は、プロセッサ３４により処理される電気小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）信号を生成する検出器組立体３２に衝突する。いくつかの実施形態では、プロセッサは、本明細書では底部臨界寸法（ＣＤ）とも呼ばれる孔５０の底部の表面４３の直径、表面４３に対する側壁４１の角度または輪郭、隣接する孔５０間の距離、および／またはフィーチャを説明するのに必要な他の任意の適切な寸法のような、孔５０の１つ以上の幾何学的属性を推計するために小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）信号を処理する。

【0041】

次に、図２の右断面図を参照する。この場合、入射ビーム３１は、ウェハ２２の背面に斜めの角度で入射する。結果として、ビーム３７のいくつかが孔５０の側壁４１に衝突し、ビーム３９として側壁から反射する。この例では、検出器組立体３２は、ビーム３７とビーム３９の両方に属する光子を検出し、プロセッサ３４に対し対応する電気信号を生成する。

【0042】

プロセッサ３４によって受信された信号は、散乱フィーチャのアレイに対応する所望の信号と、例えば孔５０の側壁４１からの鏡面反射によって生じるインコヒーレントな望まれないバックグラウンド信号とを含む。ビーム３１が孔５０の側壁に使用Ｘ線波長の全外部反射の臨界角に近い角度、例えば約１／１０度で入射する場合、これらの望まれない鏡面反射の強度は、所望の小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）に匹敵する。したがって、高い正確度かつ精度の測定を得るためには、望ましくない信号の寄与を考慮することが重要である。

【0043】

図３は、本発明の１つの実施形態による、ビーム３１の入射角の関数として、ウェハ２２から散乱されたＸ線光子の強度分布を概略的に示す２次元（２Ｄ）輪郭図表５２である。この例では、グラフ５２は、ビーム３１の様々な入射角で検出器組立体３２によって検出されたビーム３７および３９のＸ線光子の強度を示す。グラフ５２の異なるグレーレベルは、Ｘ線光子の異なる強度レベルを意味し、より明るいレベルはより高い強度に対応し、逆もまた同様である。

【0044】

図表５２の垂直軸は、ウェハ２２の平面の法線に対して度で測定されたビーム３１の入射角Ωに対応し、－１°と＋１°の範囲にある。所与の入射角Ωについて、図表の水平軸は、散乱角２θの関数としてのＸ線光子の強度を示す。散乱角は、検出器組立体３２の表面に対するミリラジアン（ｍｒａｄ）で測定される。

【0045】

図２の事例では、散乱ビーム３７および（スキャタロメトリー技術が一般的に適用される）シリコンウェハの孔５０の周期的なアレイからの反射ビーム３９の測定されたＸ線強度の合計が、対数強度尺度の任意単位（ＡＵ）を用いて、グラフ５２上の輪郭としてグレーレベルでプロットされている。

【0046】

図表５２は、図表の左辺と右辺との間を分離する対称軸５４を含む。 軸５４は、本明細書では基準軸とも称される。図からわかるように、強度分布の左右輪郭プロットの間には明確な非対称性が存在する。本願発明者らは、非対称性が、孔５０の側壁４１からの反射ビーム３９の鏡面反射の寄与によって引き起こされることを発見した。

【0047】

（ＨＡＲフィーチャからの鏡面反射に起因する強度分布の対称性の改善）
図４は、本発明の一実施形態による、ウェハ２２の孔５０から散乱されたＸ線ビームの概略断面図である。図４は、ウェハ２２の２つの断面図を含み、両図は、ビーム３１がウェハ２２の表面に対し実質的に近似した入射角を有することを示す。

【0048】

この実施形態では、システム２０は、図４の右側に示される構成を使用して１回と、図４の左側に示される構成を使用して１回と、計２回Ｘ線強度を測定する。

【0049】

左側の断面図において、ウェハ２２は、上記図２の右側の構成と同様に配置されている。上述のように、この幾何学的形状は、孔５０の側壁からの強い鏡面反射、したがって小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）強度分布における相当な非対称性によって特徴付けられる。

【0050】

一方、右側の断面図では、ウェハ２２は、上面がＸ線源２４に向き、底面が検出器組立体３２に面するように、上下逆さまにひっくり返されている。この構成では、入射ビーム３１の第１の部分が、側壁４１に衝突し、それによりビーム４９が側壁４１から反射され、そしてウェハ２２のバルク部分４５を通過した後に検出器組立体３２の表面に放出される。入射ビーム３１の第２の部分は、（側壁４１と相互作用することなく）表面４３に直接衝突し、そしてウェハ２２の裏面からビーム４７として散乱され、検出器組立体３２の表面に衝突する。

【0051】

いくつかの実施形態では、ウェハ２２を上下反転させることにより、ビーム４９がビーム４９の強度を減衰させるバルク部分４５を通過しなければならならず、それにより、検出器組立体３２によって検知される全強度に対するビーム４９の寄与度を低減することにより、輪郭図表の対称性を改善する。

【0052】

したがって、本実施形態では、プロセッサ３４は、図４の左側に示される構成を使用して取得されたものと、図４の左側に示されているものが裏返されたウェハで取得されたものと、の２つのＸ線強度分布を受信する。プロセッサ３４は、最も低いレベルの非対称性を有する強度分布を補正された分布として選択する。他の実施形態では、オペレータ（図示せず）は、図４に示す構成から１つの適切な構成を手動で選択し、そしてその後の１つ以上の類似の基材の測定において、その選択された構成を使用してもよい。さらに他の実施形態では、オペレータは、その後の類似の基板の測定において、プロセッサ３４によって選択された構成のみを使用してもよい。

【0053】

代替の実施形態では、２つの分布は、必ずしもウェハを裏返すことによって（例えば、１８０度で）ではなく、別の適切な角度によって得られる。言い換えれば、最も低い非対称性は、その裏面が選択された角度でビーム３１に面するようにウェハ２２を位置決めすることによって得ることができる。１つの実施形態では、ビーム３１に対するウェハ２２の位置及び向きは、用途に依存してもよい。用途の例は限定されないが以下に列挙する通りである：ＨＡＲフィーチャ（孔またはトレンチ）のタイプ、ＨＡＲフィーチャの幅／直径および深さ、ＨＡＲフィーチャがウェハの表面に対して傾いているか、ウェハのタイプ（例えば、シリコン、ゲルマニウム、化合物半導体）、ウェハ上に堆積される材料、ＨＡＲフィーチャのアレイの密度、およびビーム３１の強度。さらに、いくつかの実施形態では、プロセッサ３４は、異なる角度で取得された２つ以上の候補分布の中から、最も低いレベルの非対称性を有する強度分布を選択してもよい。

【0054】

図５は、散乱角の関数としてのＸ線光子の強度分布を示すグラフ５６である。曲線５８は、図４の左側に示された構成を用いて取得された強度分布を示し、ウェハ２２の底面が入射ビームに面している。曲線６０は、図４の右側に示される構成を用いて取得された強度分布を示し、ウェハ２２を反転させてウェハ２２の上面が入射ビームに面している。

【0055】

この図からわかるように、曲線５８は、曲線６０よりも基準軸（２θ＝０）に対して非対称性の程度が大きい。したがって、この例では、プロセッサ３４は曲線６０を補正強度分布として選択するであろう。

【0056】

１つの実施形態では、（例えば、図４の右側の断面図において）ウェハ２２の底面に対してビーム３１の最適な入射角（例えば、－０．３５度）を印加することにより、トレース５８における改善された対称性を得ることができる。

【0057】

１つの実施形態では、対称性レベルは、選択された入射角から、例えば、２θ＝０から、または現在の例では改善された入射角－０．３５ｍｒａｄから、等角度距離（例えば、ｍｒａｄ）において強度を測定することによって推計される。

【0058】

代替的な実施形態では、プロセッサ３４は、基準軸の左側および右側に等角度距離において得られた測定強度の平均値をとることによって、取得された強度分布における非対称性のレベルを低減する。例えば、非対称性を補正する前に、選択された角度から２ｍｒａｄの角度距離で、トレース６０の左側（例えば、－２．３５ｍｒａｄ）の測定強度が約１．８任意単位（ＡＵ）であり、一方で右側（例えば、＋１．６５ｍｒａｄ）の測定強度は約２．０ＡＵである。 測定強度の平均値をとり、両側で約１．９にすることにより、トレース６０（例えば）の非対称性を大幅に低減することができる。

【0059】

他の実施形態では、プロセッサ３４は、２Ｄ強度分布プロット（例えば、上記の図３）の非対称性を低減するため上記の平均化技術を適用する。そのような実施形態では、プロセッサ３４は、同じ入射角Ωについて、軸５４の左右の対応する角度距離２θにおける強度値の平均値をとってもよい。

【0060】

いくつかの実施形態では、非対称性は、経験的モデルを使用し、または検出器組立体３２上のビーム３１の角度に関して非対称であるモデルベースのバックグラウンド関数を適用し、そして測定強度に対するビーム３９および４９の鏡面反射寄与を考慮することによってさらに低減される。

【0061】

いくつかの実施形態では、以下の等式（１）は、経験的モデルの表現を提供する：

【数1】

ここでＢ（２Θ）は散乱角２Θでのバックグラウンドであり；
Ｂ_０は、スペクトル全体に共通の一定のバックグラウンドレベルであり；

【数2】

は、それぞれスペクトルの左（Ｌ）と右（Ｒ）翼のバックグラウンドの形状を表す係数である。

【0062】

（部分的に不透明なビームストッパを使用した校正）
いくつかの実施形態では、プロセッサ３４は、機器的ドリフトを識別し、補償する目的で、測定強度分布を使用してＸ線ビームの中心の強度および／または角度位置を推定しそして追跡する。このようなドリフトは、例えば、Ｘ線源２４の望ましくない熱膨張または経年変化のために発生する可能性がある。

【0063】

Ｘ線ビームの中心の角度位置にたいするタイトな制御は、一般的に望ましく、そして例えば、散乱ビーム（例えば、図４のビーム４７および４９）の検出の最適化を可能にし、それにより上述したような散乱強度分布の非対称性の減少を可能にする。

【0064】

いくつかの実施形態では、ビームストッパ４２（図１参照）は、ビームの中心でＸ線放射を減衰させるように配置される。この減衰は、例えば、検出器組立体３２への損傷を防止し、かつ／または検出器組立体が飽和して非線形領域で動作するのを防止するために必要である。一方、大きすぎる減衰は、プロセッサ３４がビームの中心の角度位置および強度を追跡するのを妨げることになる。

【0065】

したがって、いくつかの実施形態では、ビームストッパ４２は、Ｘ線に対し部分的に不透明な材料で作られる。ビームストッパ４２の減衰は、ビーム３５の角度位置および強度の信頼できる測定を可能し、そして同時に検出器組立体３２の損傷および非線形歪みを防止するように選択される。

【0066】

ビームストッパ４２の減衰率は、典型的には、ビーム３５の強度が検出器組立体３において数百または数千光子／秒に減衰するように選択される。所与のＸ線エネルギーＥに対して、ビームストッパ４２の減衰は式Ｅｘｐ［－μ（Ｅ）＊ｔ］で与えられ、ここでμ（Ｅ）はビームストッパ４２の材質におけるＸ線の線型減弱係数であり、ｔはＸ線ビームの方向におけるビームストッパ４２の厚さを示す。いくつかの実施形態では、ビームストッパ４２は、シリコン、ゲルマニウム、リン化インジウム、タンタルおよびタングステンの１つまたは複数の材料から作製される。あるいは、任意の他の適切な材料を使用することができる。１つの実施形態では、これらの材料は、寄生散乱を低減するように、単結晶または非晶質材料で形成されてもよい。別の実施形態では、蛍光の影響を減少させるために低い原子量の材料が使用されてもよい。例えば、厚さ３ｍｍの単結晶シリコンを含むビームストッパは、通常、ビーム３５の１７．５ｋｅＶの直接放射の約９９％を遮断する。

【0067】

いくつかの実施形態では、ビームストッパ４２は、２Ｄシートまたは１つ以上のワイヤとして形成することができる。１つの実施形態では、ビームストッパ４２のブロッキング幅は、ビーム３５の幅に一致するように決定されてもよい。

【0068】

いくつかの実施形態では、ビームストッパ４２は、以下の図７に示すように、異なる高さレベルに配置された２つ（またはそれ以上）の部品から作られる。

【0069】

図６は、本発明の１つの実施形態による、ビームストッパの２つのレベルの不透明度でのＸ線光子の強度分布を、反射Ｘ線ビーム４７および４９の散乱角の関数として示すグラフ６２である。曲線６４は、従来型の不透明なビームストッパを用いて取得される。一方曲線６６は部分的に不透明なビームストッパ４２を使用して得られる。ビーム３５の中心における減衰レベルの間の差が、図ではっきりと見ることができる。

【0070】

図７は、本発明の一実施形態による調整可能な有効幅を有するビームストッパの２つの設定７０および７８の概略断面図である。設定７０及び７８の各々は、例えば、上記図１のビームストッパ４２に実装することができる。

【0071】

図１の例では、ビーム３５は、１つの角度範囲でウェハ２２から散乱される。いくつかの実施形態では、設定７０（ならびに設定７８）は、２つのビーム停止要素７２および７４を含み、各要素は、ワイヤまたはシートとして、または他の任意の適切な形態で形成することができる。１つの実施形態では、要素７２，７４は互いに対して移動可能であり、それらの各々はビーム３５に対して部分的または完全に不透明であってもよい。

【0072】

１つの実施形態では、ビームストッパ４２に設定された有効幅７６は、ビームストッパ４２がビーム３５の強度を部分的または完全に遮断するビーム３５の角度範囲の対応する部分的セクタ（または全範囲）を決定する。

【0073】

ビームストッパ４２の設定７０および７８の例では、要素７２は要素７４の上に配置される。設定７０の例では、要素７２および７４は互いに重なり合うように水平に移動され、それによりビームストッパ４２の所望の有効幅を設定する。

【0074】

設定７８の例では、要素７２と７４との間の水平方向の重なりは最小限（例えば、ほぼゼロ）であり、したがってビームストッパ４２の有効幅８０は有効幅７６より大きい。

【0075】

いくつかの実施形態では、ビームストッパ４２に設定７０または７８を使用することによって、ビーム３５の角度範囲の構成可能な部分的区画内でビーム３５の強度を部分的または完全に遮断することができる。

【0076】

いくつかの実施形態では、互いに対する要素７２および７４の位置、したがってまたそれらの間の重なりの量は、異なる発散またはサイズを有する透過ビーム３５の強度をブロックする（または部分的にブロックする）ように制御され、それにより小角Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）ベースの測定条件を最適化する。

【0077】

１つの実施形態では、ビームストッパ４２の有効幅は、上記のグラフ５６および６２に示すように、強度と角度分解能との間のトレードオフを決定する。ビームストッパ４２の有効幅は、測定される繰返しフィーチャに応じて調整されてもよい。

【0078】

例えば、孔５０のような小さな繰り返しフィーチャを有するアレイを測定するときに、高強度であるが小さい角度分解能が必要な場合には、所与の有効幅が使用されてもよい。あるいは、 散乱ピークが互いにより近接するより大きな繰り返しフィーチャを有するアレイを測定する際に、低強度であるが大きな角度分解能が必要とされる場合には、異なる有効幅が使用されてもよい。

【0079】

他の実施形態では、２つのビーム停止要素を使用する代わりに、ビームストッパ４２の有効幅を調整するための機構が、任意の他の適切な技術を使用して実施されてもよい。

【0080】

１つの一実施形態では、ビームストッパ４２は、その短辺がビーム３５に面して配置される回転可能な矩形ビームストップ要素（図示せず）を備えることができる。１つの実施形態では、プロセッサ３４（またはビームストップ要素のコントローラ）は、ビームストッパの有効幅を調整するために、０－９０度の間の任意の所望の角度で矩形要素をその軸（例えば、重心）の周りで回転させることができる。例えば、ゼロ（０）度では、ビーム３５は矩形要素の短辺にのみ衝突するので、有効幅は最小であり、短辺の寸法に等しい。有効幅は、ビーム３５の矩形要素のそれぞれ長辺および短辺の上への投影に応じて、回転とともに変化する。

【0081】

別の実施形態では、ビームストッパ４２は、電動並進ステージの軸に沿って取り付けられた複数のビームストップ要素を備えることができる。各ビームストップ要素は、例えば、異なる幅を有するシートから作ることができる。１つの実施形態では、プロセッサ３４（または並進ステージのコントローラ）は、所望のビームストップ要素がビーム３５内に配置されるように並進ステージを動かすことによってビームストッパ４２の有効幅を設定するように構成される。

【0082】

さらに、あるいはビームストッパ４２は、調節可能な有効幅を提供する任意の他の適切な形状、構成および／または調整機構を有することができる。

【0083】

本明細書に記載された実施形態は、主に半導体デバイスの高アスペクト比（ＨＡＲ）フィーチャについて記載しているが、本明細書に記載の方法およびシステムは、磁気ナノ構造を含むデバイスのような任意のデバイスに形成される任意の反復的２Ｄまたは３Ｄフィーチャの幾何学的寸法の測定などの他の用途にも使用できる。

【0084】

上述の実施形態は例として引用されたものであり、本発明は上記に特に示され、説明されたものに限定されないことが理解されよう。むしろ、本発明の範囲は、上述の様々な特徴の組み合わせおよび部分的な組み合わせ、ならびに前述の説明を読むことによって当業者に想起され得る、従来技術に開示されていない変形および修正の両方を含む。本特許出願において参照により採り入れられた文書は、本出願と一体をなすものと見なされるべきであるが、本明細書において明示的または暗示的になされた定義と採り入れられた文書の定義が矛盾する場合は、本明細書の定義が優先される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】