特表2022-545724波長分解軟Ｘ線反射率測定に基づく半導体計測のための方法及びシステム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-10-28
(54)【発明の名称】波長分解軟Ｘ線反射率測定に基づく半導体計測のための方法及びシステム
(51)【国際特許分類】
H01L 21/66 20060101AFI20221021BHJP
G01N 23/20 20180101ALI20221021BHJP
【ＦＩ】
H01L21/66 J
G01N23/20 400
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022513134
(86)(22)【出願日】2020-07-26
(85)【翻訳文提出日】2022-04-13
(86)【国際出願番号】 US2020043653
(87)【国際公開番号】W WO2021040936
(87)【国際公開日】2021-03-04
(31)【優先権主張番号】16/551,616
(32)【優先日】2019-08-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】500049141
【氏名又は名称】ケーエルエー コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】クズネツォフ アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】チャン チャオ
【テーマコード（参考）】
2G001
4M106
【Ｆターム（参考）】
2G001AA01
2G001BA15
2G001CA01
2G001GA13
2G001LA11
4M106AA01
4M106BA05
4M106CA21
4M106CA39
4M106DB02
4M106DH25
4M106DH34
(57)【要約】
多重回折次数での波長分解軟ｘ線反射率測定（ＷＲ－ＳＸＲ）に基づいて半導体構造の構造及び材料特性を測定する方法及びシステムが示される。ＷＲ－ＳＸＲ測定は、広いスペクトル幅を有する多重回折次数にわたる同時高スループット測定である。多重回折次数のそれぞれでの波長分解信号情報の利用可能性は、測定正確度及びスループットを改善する。それぞれの非ゼロ回折次数は、多重測定点を含み、それぞれの異なる測定点は、異なる波長と関連している。いくつかの実施形態では、ＷＲ－ＳＸＲ測定は、１乃至４５度の範囲内のかすめ入射角での１０乃至５，０００電子ボルトの範囲内のｘ線放射エネルギで実行される。いくつかの実施形態では、照明ビームは、１つの方向の比較的高い発散と、第１の方向と直交する第２の方向の相対的に低い発散と、を有するように制御される。いくつかの実施形態では、多重検出器が利用され、そのそれぞれは、異なる回折次数を検出する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
計測システムであって、１０電子ボルト乃至５，０００電子ボルトの光子エネルギ範囲内の多重照明波長を含む量の軟ｘ線放射を生成するように構成されたｘ線照明源であって、前記量の軟ｘ線放射は、１乃至４５度の公称かすめ入射角で半導体ウェーハに入射するｘ線照明ビームとして前記半導体ウェーハ上に作製された計測標的に誘導される、ｘ線照明源と、
前記入射ｘ線照明ビームに応じて前記計測標的から多重の異なる回折次数へと散乱させられた第１の量のｘ線放射の光学経路内に配設された第１の検出器であって、前記第１の検出器は、第１の複数の測定信号を生成するように構成され、前記第１の複数の測定信号のそれぞれは、前記第１の検出器上の異なる場所での前記検出された量のｘ線放射を示し、前記第１の複数の測定信号のそれぞれは、前記多重の異なる回折次数のうちの別個の回折次数で回折された前記多重照明波長のうちの別個の波長を示す、第１の検出器と、
前記第１の複数の測定信号に基づいて前記計測標的を特徴付ける関心のパラメータの値を決定するように構成された計算システムと、
を備える計測システム。
【請求項2】
前記入射ｘ線照明ビームに応じて前記計測標的から１つ又は複数の異なる回折次数へと散乱させられた第２の量のｘ線放射の光学経路内に配設された第２の検出器を更に備え、前記第２の検出器は、第２の複数の測定信号を生成するように構成され、前記第２の複数の測定信号のそれぞれは、前記第２の検出器上の異なる場所での前記検出された量のｘ線放射を示し、前記第２の複数の測定信号のそれぞれは、前記１つ又は複数の異なる回折次数を示し、前記計算システムは、前記第１の及び第２の複数測定信号に基づいて、前記計測標的を特徴付ける関心の前記パラメータの前記値を決定するように更に構成されている、請求項１に記載の計測システム。
【請求項3】
前記第２の量のｘ線放射は、深紫外スペクトル範囲、真空紫外スペクトル範囲、可視スペクトル範囲、及び赤外スペクトル範囲のうちのいずれかの放射線を含む、請求項２に記載の計測システム。
【請求項4】
前記ｘ線照明源と前記半導体ウェーハとの間の照明光学経路内に配設された１つ又は複数のｘ線照明光学要素を更に備え、前記１つ又は複数のｘ線照明光学要素は、１乃至４５度の公称かすめ入射角で前記半導体ウェーハに入射するｘ線照明ビームとして、前記半導体ウェーハ上に前記量の軟ｘ線放射を集束させる、請求項１に記載の計測システム。
【請求項5】
前記ｘ線照明源は、高調波発生（ＨＨＧ）レーザベースの照明源である、請求項１に記載の計測システム。
【請求項6】
前記ｘ線照明源と前記半導体ウェーハとの間の光学経路内に位置するビームエネルギフィルタを更に備え、前記ビームエネルギフィルタは、所望のビームエネルギ範囲内のｘ線照明を透過し、前記所望のビームエネルギ範囲外のｘ線照明を吸収する、請求項１に記載の計測システム。
【請求項7】
前記ｘ線照明源は、１ミリラジアン未満のビーム発散を有する前記量の軟ｘ線放射を放出する、請求項１に記載の計測システム。
【請求項8】
前記ｘ線照明源と前記半導体ウェーハとの間の光学経路内に縮小光学要素を更に備え、前記縮小光学要素は、前記ｘ線照明ビームを横切る第１の方向に０．２以下の拡大係数によって前記半導体ウェーハ上に前記ｘ線照明ビームを集束させ、前記第１の方向と直交する前記ｘ線照明ビームを横切る第２の方向に０．９以上の拡大係数によって前記半導体ウェーハ上に前記ｘ線照明ビームを集束させる、請求項１に記載の計測システム。
【請求項9】
前記ｘ線照明源は、深紫外スペクトル範囲、真空紫外スペクトル範囲、可視スペクトル範囲、及び赤外スペクトル範囲のうちのいずれかの放射線を放出するように更に構成されている、請求項１に記載の計測システム。
【請求項10】
前記ｘ線照明源は、５０マイクロメートル未満の最大範囲の寸法によって特徴付けられた照明源領域を有する、請求項１に記載の測定システム。
【請求項11】
関心の前記パラメータは、オーバーレイ誤差、臨界寸法、及びエッジ配置誤差のうちのいずれかである、請求項１に記載の計測システム。
【請求項12】
前記計測標的の前記照明中に、前記計測標的に蒸気相の充填材料を含むガス流を提供する蒸気注入システムを更に備えている、請求項１に記載の計測システム。
【請求項13】
前記ｘ線照明源は、所望の光子エネルギ範囲を含む前記量の軟ｘ線放射を生成するように調整される、請求項１に記載の計測システム。
【請求項14】
前記ｘ線照明源と前記半導体ウェーハとの間の照明光学経路内に配設された１つ又は複数のｘ線照明光学要素を更に備え、前記１つ又は複数のｘ線照明光学要素は、複数の入射角、複数の波長、及び複数の方位角で前記半導体ウェーハに入射するｘ線照明ビームとして、前記半導体ウェーハ上に前記量の軟ｘ線放射を集束させる、請求項１に記載の計測システム。
【請求項15】
前記１つ又は複数のｘ線照明光学要素は、前記多重照明波長を選択する段階的多層光学要素である、請求項１４に記載の計測システム。
【請求項16】
方法であって、１０電子ボルト乃至５，０００電子ボルトの光子エネルギ範囲内の多重照明波長を含む量の軟ｘ線放射を提供するステップであって、前記量の軟ｘ線放射は、１乃至４５度の公称かすめ入射角で半導体ウェーハに入射するｘ線照明ビームとして、前記半導体ウェーハ上に作製された計測標的に誘導される、ステップと、
前記入射ｘ線照明ビームに応じて前記計測標的から多重の異なる回折次数へと散乱させられた第１の量のｘ線放射を検出するステップと、
第１の複数の測定信号を生成するステップであって、前記第１の複数の測定信号のそれぞれは、第１の検出器の活性表面上の異なる場所での前記検出された量のｘ線放射を示し、前記第１の複数の測定信号のそれぞれは、前記多重の異なる回折次数のうちの別個の回折次数で回折された前記多重照明波長のうちの別個の波長を示す、ステップと、
前記第１の複数の測定信号に基づいて、前記計測標的を特徴付ける関心のパラメータの値を決定するステップと、
を含む方法。
【請求項17】
前記入射ｘ線照明ビームに応じて前記計測標的から１つ又は複数の回折次数へと散乱させられた第２の量のｘ線放射を検出するステップと、第２の複数の測定信号を生成するステップであって、前記第２の複数の測定信号のそれぞれは、第２の検出器の活性表面上の異なる場所での前記検出された量のｘ線放射を示し、前記第２の複数の測定信号のそれぞれは、前記１つ又は複数の回折次数を示し、前記計測標的を特徴付ける関心の前記パラメータの前記値を決定する前記ステップは、前記第１の及び第２の複数の測定信号に基づいている、ステップと、
を更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記第２の量のｘ線放射は、深紫外スペクトル範囲、真空紫外スペクトル範囲、可視スペクトル範囲、及び赤外スペクトル範囲のうちのいずれかの放射線を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記ｘ線照明源と前記半導体ウェーハとの間の光学経路内の前記ｘ線照明ビームをフィルタで除くステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項20】
前記ｘ線照明ビームを横切る第１の方向に０．２以下の拡大係数によって前記ｘ線照明ビームを縮小するステップと、前記第１の方向と直交する前記ｘ線照明ビームを横切る第２の方向に０．９以上の拡大係数によって前記半導体ウェーハ上に前記ｘ線照明ビームを投射するステップと、
を更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項21】
計測システムであって、１０電子ボルト乃至５，０００電子ボルトの光子エネルギ範囲内の多重照明波長を含む量の軟ｘ線放射を生成するように構成されたｘ線照明源であって、前記量の軟ｘ線放射は、半導体ウェーハに入射するｘ線照明ビームとして、前記半導体ウェーハ上に作製された計測標的に誘導される、ｘ線照明源と、
前記入射ｘ線照明ビームに応じて、前記計測標的から多重の異なる回折次数へと散乱させられた第１の量のｘ線放射の光学経路内に配設された第１の検出器であって、前記第１の検出器は、第１の複数の測定信号を生成するように構成され、前記第１の複数の測定信号のそれぞれは、前記第１の検出器上の異なる場所での前記検出された量のｘ線放射を示し、前記第１の複数の測定信号のそれぞれは、前記多重の異なる回折次数のうちの別個の回折次数で回折された前記多重照明波長のうちの別個の波長を示す、第１の検出器と、
前記入射ｘ線照明ビームに応じて、前記計測標的から１つ又は複数の異なる回折次数へと散乱させられた第２の量のｘ線放射の光学経路内に配設された第２の検出器であって、前記第２の検出器は、第２の複数の測定信号を生成するように構成され、前記第２の複数の測定信号のそれぞれは、前記第２の検出器上の異なる場所での前記検出された量のｘ線放射を示し、前記第２の複数の測定信号のそれぞれは、前記１つ又は複数の異なる回折次数を示す、第２の検出器と、
前記第１の及び第２の複数の測定信号に基づいて、前記計測標的を特徴付ける関心のパラメータの値を決定するように構成された計算システムと、
を備える計測システム。
【請求項22】
前記第２の量のｘ線放射は、深紫外スペクトル範囲、真空紫外スペクトル範囲、可視スペクトル範囲、及び赤外スペクトル範囲のうちのいずれかの放射線を含む、請求項２１に記載の計測システム。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
記載される実施形態は、ｘ線計測システム及び方法に関し、より詳細には、測定正確度改善のための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
ロジック及びメモリデバイス等の半導体デバイスは、典型的には、標本に適用される一連の処理ステップによって製造される。半導体デバイスの様々な特徴及び多重構造レベルが、これらの処理ステップによって形成される。例えば、リソグラフィは、その中で、半導体ウェーハ上にパターンを生成することを含む１つの半導体製造プロセスである。半導体製造プロセスの追加の例は、化学機械的研磨、エッチング、堆積、及びイオン注入を含むが、これらに限定されない。多重半導体デバイスが、単一の半導体ウェーハ上に作製され、次いで個々の半導体デバイスに分離されてもよい。
【0003】
計測プロセスが、半導体製造プロセス中の様々なステップで使用されることにより、ウェーハ上の欠陥を検出してより高い歩留まりを促進する。光波散乱計測及び反射率測定の実装並びに関連する解析アルゴリズムを含むいくつかの計測ベースの技術が、ナノスケール構造の臨界寸法、膜厚、組成、及び別のパラメータを特徴付けるために一般に使用される。
【0004】
従来、光波散乱計測の臨界寸法測定が、薄膜及び／又は反復周期構造からなる標的において実行される。デバイス製造中、これらの膜及び周期構造は、典型的には、実際のデバイスの幾何学的形状及び材料構造又は中間設計を表す。デバイス（例えば、ロジック及びメモリデバイス）がより小さいナノメートルスケール寸法に向かって移行し、特徴評価がより困難になる。複雑な３次元幾何学形状及び多様な物理的特性を有する材料を組み込むデバイスは、特徴評価困難に寄与する。
【0005】
ナノ構造物の材料組成及び形状に関する正確な情報が、先端的な前処理半導体製造設備のプロセス開発環境においては限られている。光波散乱計測システムは、測定バイアスを回避するためには、正確な幾何学的及び分散モデルに依存する。先験的に利用可能なナノ構造体の材料組成及び形状についての限定された知識によって、測定レシピの開発及び検証は、緩慢で退屈な工程である。例えば、断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）画像が使用されて、光学光波散乱計測モデルの開発を誘導するが、ＴＥＭ撮像は遅く有害である。
【0006】
赤外線から可視光までを利用する散乱光学計測ツールは、サブ波長構造からの０次回折信号を測定する。デバイス臨界寸法が減少し続けると、光波散乱光学計測の感度及び能力が減少する。更に、吸収物質が測定下の構造内に存在するとき、光学領域（例えば、０．５乃至１０ｅＶ）内の照明光の浸透及び散乱が、従来の光学計測システムの有用性を制限する。
【0007】
同様に、電子ビームベースの計測システムは、照明、後方散乱、及び２次放出電子の吸収及び散乱に起因して、半導体構造になんとか浸透する。
【0008】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）及び走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が、原子分解能を達成し得るが、それらは、標本の表面だけを探索し得る。それに加えて、ＡＦＭ及びＳＴＭ顕微鏡は、これらの技術を高容積製造（ＨＶＭ）設定において非実用的にする長い走査時間を必要とする。
【0009】
硬Ｘ線エネルギ準位（＞１５ｋｅＶ）で光子を利用する透過率小角Ｘ線光波散乱計測（Ｔ－ＳＡＸＳ）システムは、挑戦的な測定用途に取り組むのに有望であることを示した。限界寸法の測定に対するＳＡＸＳ技術（ＣＤ－ＳＡＸＳ）及びオーバーレイの測定に対するＳＡＸＳ技術（ＯＶＬ－ＳＡＸＳ）の適用についての様々な態様が、１）Ｚｈｕａｎｇ及びＦｉｅｌｄｅｎへの、「Ｈｉｇｈ－ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｘ－ｒａｙ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ」と題する特許文献１、２）Ｂａｋｅｍａｎ、Ｓｈｃｈｅｇｒｏｖ、Ｚｈａｏ、及びＴａｎによる、「Ｍｏｄｅｌ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｅｎｇｉｎｅ Ｆｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｘ－ｒａｙ Ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ」と題する特許文献２、３）Ｖｅｌｄｍａｎ、Ｂａｋｅｍａｎ、Ｓｈｃｈｅｇｒｏｖ、及びＭｉｅｈｅｒによる、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ Ｏｖｅｒｌａｙ Ｕｓｉｎｇ Ｘ－ｒａｙ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ」と題する特許文献３、４）Ｈｅｎｃｈ、Ｓｈｃｈｅｇｒｏｖ、及びＢａｋｅｍａｎによる、「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｆｏｒ Ｘ－ｒａｙ Ｂａｓｅｄ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ」と題する特許文献４、５）Ｄｚｉｕｒａ、Ｇｅｌｌｉｎｅａｕ、及びＳｈｃｈｅｇｒｏｖによる、「Ｘ－ｒａｙ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ Ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」と題する特許文献５、及び６）Ｇｅｌｌｉｎｅａｕ、Ｄｚｉｕｒａ、Ｈｅｎｃｈ、Ｖｅｌｄｍａｎ、及びＺａｌｕｂｏｖｓｋｙによる、「Ｆｕｌｌ Ｂｅａｍ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｘ－ｒａｙ Ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する特許文献６に記載されている。上記特許文献は、ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（米国、カリフォルニア州、Ｍｉｌｐｉｔａｓ）に譲渡されており、それぞれの内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0010】
ＳＡＸＳは、また、材料及び別の非半導体関連用途の特徴付けにも適用される。例示的なシステムは、Ｘｅｎｏｃｓ ＳＡＳ（ｗｗｗ．ｘｅｎｏｃｓ．ｃｏｍ）、Ｂｒｕｋｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ｗｗｗ．ｂｒｕｋｅｒ．ｃｏｍ）、及びＲｉｇａｋｕ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ｗｗｗ．ｒｉｇａｋｕ．ｃｏｍ／ｅｎ）を含むいくつかの会社によって商業化されている。
【0011】
半導体構造のＣＤ－ＳＡＸＳ計測に関する研究が、また科学文献に記載されている。大部分の研究グループは、高輝度Ｘ線シンクロトロン源を利用してきたが、これらは、その非常に大きいサイズ、コスト等に起因して半導体製造設備に使用するのに適していない。かかるシステムの一例が、非特許文献１に記載されている。ごく最近、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮＩＳＴ）のグループが、特許文献７に記載されたものと同様のコンパクトで明るいＸ線源を用いる研究を開始した。この研究は、非特許文献２に記載されている。
【0012】
しかし、浅い構造、例えば、ロジック計測用途からの硬ｘ線の散乱が弱く、これは達成可能な測定分解能及びスループットを厳格に限定する。このように、Ｔ－ＳＡＸＳは、ＨＶＭ環境内におけるロジック計測用途に対して実行可能なオプションであることが示されていない。
【0013】
Ｔ－ＳＡＸＳシステムは、近法線入射照明によるウェーハ上の小さいビームフットプリントを達成する。しかし、Ｔ－ＳＡＸＳシステムは、測定下のウェーハを通る適切な透過のために高エネルギ光子（例えば、＞１６ｋｅＶ）を必要とする。典型的には、回折効率は、光子エネルギＥを用いて１／Ｅ２として縮尺し、回折次数の角度分離が１／Ｅで縮尺する。２Ｄ周期構造についての次数重複を回避するために、立体角受容が１／Ｅ２として縮尺する。これらの縮尺係数は、浅い構造の計測のためにＴ－ＳＡＸＳシステムに強いペナルティを課す。
【0014】
それに加えて、全ての前のパターン化ステップからの回折パターンが、透過率測定における現在の層構造の回折パターンに重畳される。臨界金属層の最小ピッチ（すなわち、周期）が１０乃至２０％だけ異なる値に収束すると予想されるので、角度受容が検出器での別々の回折信号に厳格に制限される。そうでなければ、すべての前の層の幾何学的情報は、現在の層を特徴付ける計測システムにフィードフォワードされなければならない。典型的には、複雑なＨＶＭ環境の関連の中で、必要な計測及びプロセス情報を取得して管理することは非常に困難である。
【0015】
従来のＧＩ－ＳＡＸＳシステムは、半導体材料及び８ｋｅＶ以上の光子エネルギに対する反射についての臨界角付近（例えば、１度未満のかすめ角）で動作して、回折強度を最大化する。これにより、ウェーハ上に投射される非常に大きい（例えば、１ｍｍより大きい）照明ビームスポットサイズが得られる。これは、非常に大きいのでスクライブライン計測標的でさえも使用できない。従って、非常に大きい特殊計測標的が、ＧＩ－ＳＡＸＳ測定を実行するためにウェーハ上に構築されなければならない。機能性ウェーハリアルエステートのこの損失は、高価である。それに加えて、ＧＩ－ＳＡＸＳ測定の表面感度は優れているが、高アスペクト比構造の浸透は、エバネッセント場挙動によって非常に制限される。
【0016】
Ｑｕｉｎｔａｎｉｌｈａらによる、「Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ Ｍｅｔｈｏｄｓ，Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ Ａｐｐａｒａｔｕｓ，ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ」と題する特許文献８は、０次波長分解信号を生成するための分光計型検出器を用いるシステムを記載する。この手法は、異なる波長の信号を分離するために、ウェーハと感光性検出要素との間の収集経路内の回折要素（例えば、回折格子）の使用を必要とする。これは、スペクトル測定を実行するために利用され得る検出器のタイプを限定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0017】
【特許文献1】米国特許第７，９２９，６６７号明細書
【特許文献2】米国特許出願公開第２０１４／００１９０９７号明細書
【特許文献3】米国特許出願公開第２０１５／０１１７６１０号明細書
【特許文献4】米国特許出願公開第２０１６／０２０２１９３号明細書
【特許文献5】米国特許出願公開第２０１７／０１６７８６２号明細書
【特許文献6】米国特許出願公開第２０１８／０１０６７３５号明細書
【特許文献7】米国特許第７，９２９，６６７号明細書
【特許文献8】米国特許出願公開第２０１７／０３５７１５５Ａ１号明細書
【非特許文献】
【0018】
【非特許文献1】Ｌｅｍａｉｌｌｅｔ、Ｇｅｒｍｅｒ、Ｋｌｉｎｅら、「Ｉｎｔｅｒｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｘ－ｒａｙ ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ＦｉｎＦＥＴ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，ｖ．８６８１，ｐ．８６８１０Ｑ（２０１３）
【非特許文献2】Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、「Ｘ－ｒａｙ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｃｏｍｐａｃｔ Ｘ－ｒａｙ ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ｎｅｘｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅｓ」、Ｊ．Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｌｉｔｈ．ＭＥＭＳ ＭＯＥＭＳ １６（１），０１４００１（Ｊａｎ－Ｍａｒ ２０１７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0019】
要約すると、低アスペクト比構造と高アスペクト比構造の両方についての測定能力と、スクライブライン標的と両立する照明ビームスポットサイズと、を有する寸法計測システムが必要とされる。一例では、ＨＶＭスループットにおける高アスペクト比（ＨＡＲ）構造の形状及びエッジ配置パラメータを推定する計測システムが必要とされる。それに加えて、計測システムについての測定レシピを開発し、検証すること、及び実質的な事前の寸法及び材料組成情報を伴わずに、大容量製造（ＨＶＭ）環境内で計測システムを動作させることが可能である。
【課題を解決するための手段】
【0020】
多重回折次数での波長分解軟ｘ線反射率測定（ＷＲ－ＳＸＲ）に基づく半導体構造の構造及び材料特性を測定する方法及びシステムが本明細書に記載されている。本明細書に記載された方法及びシステムは、広いスペクトル幅を有する多重回折次数にわたる同時高スループット測定を提供する。多重回折次数のそれぞれでの波長分解信号情報の利用可能性は、測定正確度及びスループットを改善する。
【0021】
一般に、半導体ウェーハのＷＲ－ＳＸＲ測定は、小さいビームスポットサイズについての波長、入射角、及び方位角の範囲にわたって行われる。一態様において、ＷＲ－ＳＸＲ測定は、１乃至４５度の範囲内のかすめ入射角で、軟ｘ線（ＳＸＲ）領域（すなわち、１０乃至５，０００ｅＶ）内のｘ線放射によって行われる。
【0022】
一般に、０次反射ビームは、入射照明ビームの発散と同様の発散を有するものである。非ゼロ回折次数へと散乱させられた放射線は、入射照明ビームよりも高い発散を有するが、その理由は、入射照明ビームが、非ゼロ回折次数のそれぞれ内のわずかに異なる角度でそれぞれ回折する多重波長を含むからである。非ゼロ回折次数についての反射角は、入射照明ビームの波長に依存する。多重離散照明波長を有する入射照明ビームに対して、散乱光は、それぞれの非ゼロ回折次数内の多重反射角を含む。同様に、連続広帯域スペクトルを有する入射照明ビームについて、散乱光は、それぞれの非ゼロ回折次数内の検出器への入射における反射光の連続空間的広がりを含む。したがって、それぞれの非ゼロ回折次数は、多重測定点を含み、それぞれの異なる測定点は、異なる波長と関連している。したがって、それぞれの非ゼロ回折次数は、波長分解スペクトルを含む。このように、ＷＲ－ＳＸＲ計測システムは、測定下の標的と検出器との間の光学経路内の回折光学要素を利用することなく波長分解信号情報を提供する。
【0023】
ＷＲ－ＳＸＲシステムが利用されて、散乱光の１つ又は複数の非ゼロ回折次数での波長分解信号情報に基づいて、標本の特性（例えば、構造パラメータ値）を決定する。
【0024】
一態様では、検出器と測定下のウェーハとの間の距離は、検出器で収集されたスペクトル情報の分解能を変更するように能動的に調整される。
【0025】
別の更なる一態様では、集束光学系は、源放射を収集し、１つ以上の離散波長又はスペクトル帯域を選択し、そして選択された光を１乃至４５度の範囲内のかすめ入射角で標本に集束させる。
【0026】
別の更なる一態様では、同じ計測領域上に投射された波長、ＡＯＩ、方位、又はそれらの任意の組合せの範囲は、集束光学系の１つ又は複数のミラー要素を能動的に配置することによって調整される。
【0027】
別の更なる一態様では、ＷＲ－ＳＸＲ計測システムは、標本に入射する照明ビームを整形して、測定下の計測標的を別途照明するような照明光の一部を選択的に遮断する１つ又は複数のビームスリット又は開口を含む。１つ又は複数のビームスリットは、ｘ線照明スポットが測定下の計測標的の領域内に適合するようにビームサイズ及び形状を画定する。更に、１つ又は複数のビームスリットは、検出器での回折次数の重複を制限する照明ビーム発散を規定する。
【0028】
別の更なる一態様では、ＷＲ－ＳＸＲ計測システムは、１つ又は複数の機構を利用して、照明ビームエネルギを制御する。一般に、照明ビームエネルギは、測定下の特定の試料内への適切なＸ線浸透を確実にするように選択される。
【0029】
別の更なる一態様では、ＷＲ－ＳＸＲ計測システムの入射照明ビームは、入射照明ビームを横切る１つの方向の比較的高い発散と、第１の方向と直交する、入射照明ビームを横切る第２方向の比較的低い発散と、を有するように制御される。このように、高発散方向の検出器の活性表面を横切る空間的広がりは、低発散方向の検出器の活性表面を横切る空間的広がりと直交している。高発散方向の検出器の活性表面を横切る空間的広がりは、比較的高い発散に基づく入射角によって支配される。一方、低発散方向の検出器の活性表面を横切る空間的広がりは、上記のようにそれぞれの回折次数内の波長分散によって支配される。このように、それぞれの非ゼロ回折次数は、（低発散方向の）スペクトル反射率及び（高発散方向の）角反射率に基づく測定下の構造に関する信号情報を含む。
【0030】
別の更なる一態様では、測定下の標的上に１つ又は複数の液体材料又は１つ又は複数のガス材料を流して、測定される材料同士の間のコントラストを増加させることによって、測定性能が改善される。
【0031】
別の更なる一態様では、ＷＲ－ＳＸＲ計測システムは、多重検出器を利用する。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の回折次数が、第１の検出器によって収集され、別の回折次数が、別の検出器によって収集される。
【0032】
別の更なる一態様では、ＷＲ－ＳＸＲ計測システムの検出器の位置は、測定下の標的によって反射された放射線を捕捉するように能動的に制御される。
【0033】
以上は要約であり、したがって必要に応じて簡略化、一般化、詳細の省略を含んでおり、その結果、当業者であれば、概要が単なる例示であり、何ら限定的ではないことを理解するであろう。本明細書に記載されたデバイス及び／又はプロセスの別の態様、発明的特徴、及び利点は、本明細書に記載された非限定的な詳細な説明において明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】一実施形態において標本の特性を測定するための波長分解軟ｘ線反射率測定（ＷＲ－ＳＸＲ）ベースの計測ツールを示す図である。
【図2】一実施形態における、周期性標的から散乱させられ、ＷＲ－ＳＸＲ計測システムの検出器によって検出された放射線を示す図である。
【図3】別の一実施形態における、周期性標的から散乱させられてＷＲ－ＳＸＲ計測システムの検出器によって検出された放射線を示す図である。
【図4】入射角θ及び方位角φによって記述される特定の方位においてウェーハに入射する照明ビームを示す図である。
【図6】別の一例における、検出器の活性表面に入射する散乱放射線の一部を示す図である。
【図7】別の一実施形態における、標本の特性を測定するためのＷＲ－ＳＸＲ計測システムを示す図である。
【図8】一実施形態における、ビームエネルギフィルタを通過するＷＲ－ＳＸＲ計測システムの照明ビームを示す図である。
【図9】Ｋａｐｔｏｎ基材上に堆積された約０．２マイクロメートルの厚さのホウ素及びスズ層から作製されたビームエネルギフィルタについての透過率曲線を示すプロットを示す。
【図10】別の一実施形態における、標本の特性を測定するためのＷＲ－ＳＸＲ計測システムを示す図である。
【図13】照明ビームエネルギの関数としてＮｂ２０５ミラーの反射率を示すプロットを示す。
【図14】別の一実施形態における、標本の特性を測定するためのＷＲ－ＳＸＲ計測システムを示す図である。
【図15】ＷＲ－ＳＸＲ計測システムの計算システムによって実装される例示的なモデル構築及び解析エンジンを示す図である。
【図16A】一例における、周期性計測標的を示す図である。
【図16B】一例における、間引かれた計測標的を示す図である。
【図17】一例における、標本の波長分解軟ｘ線反射率測定（ＷＲ－ＳＸＲ）の測定を行う方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0035】
ここで、本発明の背景例及びいくつかの実施形態に詳細に参照がなされ、これらの例が添付図面に示されている。
【0036】
Ｘ線照明に基づく異なる半導体製造プロセスと関連する半導体構造の構造及び材料特性（例えば、構造及び薄膜の材料組成、寸法特性等）を測定するための方法及びシステムが提示される。より具体的には、多重回折次数での波長分解軟ｘ線反射率測定（ＷＲ－ＳＸＲ）に基づく半導体構造の測定を行う方法及びシステムが、本明細書に提示される。本明細書に記載された方法及びシステムは、広域スペクトル幅を有する多重回折次数にわたる同時高スループット測定を提供する。多重回折次数のそれぞれでの波長分解信号情報の利用可能性は、測定精度及びスループットを改善する。
【0037】
一般に、半導体ウェーハのＷＲ－ＳＸＲ測定は、小さいビームスポットサイズ（例えば、有効照明スポットを横切って５０マイクロメートル未満）によって波長、入射角、及び方位角の範囲にわたって行われる。一態様では、ＷＲ－ＳＸＲ測定は、１乃至４５度の範囲内のかすめ入射角での軟ｘ線（ＳＸＲ）領域（すなわち、１０～５０００ｅＶ）内のｘ線放射を用いて行われる。特定の測定用途用のかすめ角が、小さいビームスポットサイズ（例えば、５０マイクロメートル未満）によって、測定下の構造への所望の浸透を達成して、測定情報量を最大にするように選択される。
【0038】
図１は、少なくとも１つの新規な態様で標本の特性を測定するためのＷＲ－ＳＸＲ計測ツール１００の実施形態を示す。図１に示すように、システム１００は、標本１０１上に配設された周期性標的１０２を含む測定領域にわたるＷＲ－ＳＸＲ測定を実行するために使用され得る。
【0039】
照明源１１０は、多重波長で照明放射線を発生させる。図１に示す実施形態では、照明源１１０は、かすめ角Ｇで標本１０１上に配設された周期性標的１０２（例えば、周期性格子）に誘導される広帯域照明を生成する。図１に示す実施形態では、周期性標的１０２は、一方向に（すなわち、図面を横断する水平方向に）周期性である。周期性標的は、直交方向（すなわち、図面に垂直な方向）に、周期性を伴わずに一様に延在する。図１は、非限定的な例として、一方向に周期性を有する周期性標的を示す。一般に、本明細書に記載された計測方法及びシステムは、２つの方向（例えば、２つの直交方向）の周期性を有する周期性標的の測定に適用可能である。
【0040】
図１に示す実施形態では、照明源１１０は、小さい照明源領域（５０マイクロメートル未満）を有する高調波発生（ＨＨＧ）レーザ照明源である。一例では、ＨＨＧレーザ照明源１１０は、ビームを横断する２つの直交方向の低いビーム発散（例えば、１ミリラジアン未満）を有する照明ビーム１１４を生成する。照明ビーム１１４が、周期性標的１０２上に投射され、これに応じて放射線１１８が周期性標的１０２から散乱させられて、検出器１１９によって検出される。
【0041】
図２は、周期性標的１０２から散乱させられ、そして検出器１１９によって検出された放射線１１８をより詳細に示す。図２に示すように、照明ビーム１１４の波長スペクトル１５２は、多数の離散波長を含む。散乱放射線１１８は、周期性標的１０２から異なる回折次数へと散乱させられた放射線を含む。反射ビーム１１８Ａは、周期性標的１０２からの０次反射である。回折放射線１１８Ｂは、＋１の回折次数に対応する。回折放射線１１８Ｃは、－１の回折次数に対応する。回折放射線１１８Ｄは、＋２の回折次数に対応する。回折放射線１１８Ｅは、－２の回折次数に対応する。回折放射線１１８Ｆ（図示せず）は、＋３の回折次数に対応する。回折放射線１１８Ｇ（図示せず）は、－３の回折次数に対応する。回折放射線１１８Ｈ（図示せず）は、＋４の回折次数に対応する。回折放射線１１８Ｉ（図示せず）は、－４の回折次数に対応する。図２に示すように、照明ビーム内に存在するそれぞれの離散波長は、非ゼロ回折次数のそれぞれ内の周期性標的１０２とは異なる角度で回折する。
【0042】
一般に、０次ビーム１１８Ａは、入射照明ビーム１１４の発散と同様の発散を有するものである。非ゼロ回折次数へと散乱させられた散乱放射線１１８の部分は、入射照明ビーム１１４が非ゼロ回折次数のそれぞれ内の僅かに異なる角度でそれぞれ回折する多重波長を含むので、入射照明ビーム１１４よりも高い発散を有する。一般に、反射角度は、回折格子式（１）によって与えられ、
ここに、λは入射照明ビームの波長であり、ｄは格子周期であり、ａは回折次数であり、Θоは入射角であり、Θａは回折光の角度である。公称入射角（図１に角度Ｇで示される）は、１度乃至４５度の任意の適切なかすめ入射角（すなわち、ウェーハ平面と入射照明ビームとの間の角度）である。
【数1】
【0043】
式（１）に示すように、０次回折次数（ａ＝０）と関連する反射角は、波長と無関係な入射角に等しい。しかし、非ゼロ回折次数（ａ≠０）に対する反射角は、入射照明ビームの波長に依存する。多重離散照明波長を有する入射照明ビームに対して、散乱光は、それぞれの非ゼロ回折次数内の多重反射角を含む。同様に、連続広帯域スペクトルを有する入射照明ビームに対して、散乱光は、それぞれの非ゼロ回折次数内の検出器１１９への入射での反射光の連続空間的広がりを含む。
【0044】
図２に示すように、照明ビーム１１４の波長スペクトル１５２は、４つの離散波長を含み、それぞれの非ゼロ回折次数は、異なる場所で検出器１１９に入射する４つの離散波長のそれぞれを含む。このように、検出器１１９は、それぞれの非ゼロ回折次数内のそれぞれの離散波長で周期性標的１０２から散乱させられた放射線を別個に分解する。多重離散照明波長を用いて行われる測定が、特定の測定用途において、例えば、３Ｄ格子を測定するときに好ましいことがある。
【0045】
図３に示すように、照明ビーム１１４の波長スペクトル１５５は、連続広帯域スペクトルを含み、それぞれの非ゼロ回折次数内の散乱光は、それぞれの非ゼロ回折次数内の検出器１１９での反射光の連続空間的広がりを含む。反射光のそれぞれの別個の波長が、それぞれの非ゼロ回折次数内の異なる場所で検出器１１９に入射する。このように、検出器１１９は、それぞれの非ゼロ回折次数内のそれぞれの別個の波長で周期性標的１０２から散乱させられた放射線を別個に分解する。
【0046】
図２及び３に示すように、非ゼロ回折次数は、それぞれ、検出器１１９の感光表面上の異なる場所に到着する異なる反射波長を含む。したがって、それぞれの非ゼロ回折次数は、多重測定点を含み、それぞれの異なる測定点は、異なる波長と関連する。したがって、それぞれの非ゼロ回折次数は、波長分解スペクトルを含む。このように、ＷＲ－ＳＸＲ計測システムは、測定下の標的と検出器との間の光学経路内の回折光学要素を利用することなく波長分解信号情報を提供する。検出器の表面での波長に応じたそれぞれの回折次数の空間的広がりの検出は、測定された関心の構造に関する有用で特有の情報を提供し、更に測定性能を向上させる。
【0047】
半導体ウェーハ１０１の表面法線に対する入射照明ビーム１１４のそれぞれの方位は、照明ビーム１１４に対するウェーハ１０１の任意の２つの角度回転によって記述され、その逆もまた同様である。一例では、方位は、ウェーハに固定された座標系に関して記述され得る。図４は、入射角θ及び方位角φによって記述された特定の方位でウェーハ１０１に入射する照明ビーム１１４を示す。座標フレームＸＹＺは、計測システム（例えば、照明ビーム１１４）に固定され、座標フレームＸ’Ｙ’Ｚ’は、ウェーハ１０１に固定されている。Ｙ軸は、ウェーハ１０１の表面と平面内で整列している。Ｘ及びＺは、ウェーハ１０１の表面と整列していない。Ｚ’は、ウェーハ１０１の表面に垂直な軸線と整列しており、Ｘ’及びＹ’は、ウェーハ１０１の表面と整列している平面内にある。図４に示すように、ｘ線照明ビーム１１４は、Ｚ軸と整列し、それでＸＺ平面内にある。入射角θは、ＸＺ平面内のウェーハの表面法線に対するｘ線照明ビーム１１４の方位を記述する。更に、方位角φは、Ｘ’Ｚ’平面に対するＸＺ平面の方位を記述する。共に、θ及びφは、ウェーハ１０１の表面に対するｘ線照明ビーム１１４の方位を一意に規定する。この例では、ウェーハ１０１の表面に対するｘ線照明ビームの方位は、ウェーハ１０１の表面に垂直な軸線（すなわち、Ｚ’軸）の周りの回転、及びウェーハ１０１の表面と整列した軸線（すなわち、Ｙ軸）の周りの回転によって記述される。いくつかの別の例では、ウェーハ１０１の表面に対するｘ線照明ビームの方位は、ウェーハ１０１の表面と整列した第１の軸線、及びウェーハ１０１の表面と整列し、第１の軸線に垂直である別の軸線の周りの回転によって記述される。
【0048】
図２及び３に示す例では、方位角は、入射照明ビーム１１４が、周期性標的１０２の周期性の方向（図面を横切る水平方向）と整列している、及び周期性標的の一様な範囲の方向（図面に垂直な方向）と直交している方向に周期性標的１０２を照明するようなものである。図５は、図３に示す照明条件下で測定されるような検出器１１９の活性表面に入射する散乱放射線１１８の一部を示す。より具体的には、図５が、０次反射ビーム１１８Ａと、－１の回折次数に対応する回折放射線１１８Ｃと、－２の回折次数に対応する回折放射線１１８Ｅと、－３の回折次数に対応する回折放射線１１８Ｇとを示す。図５に示すように、照明ビーム内に存在するそれぞれの波長は、非ゼロ回折次数のそれぞれ内の周期性標的１０２とは異なる角度で回折する。したがって、照明ビーム１１４内に存在する波長の範囲λＲＡＮＧＥは、非ゼロ回折次数のそれぞれについてｙ方向に空間的に広がっている。
【0049】
別の一例では、方位角は、入射照明ビーム１１４が、周期性標的の均一範囲の方向（図３の図面に垂直な方向）と整列している、及び周期性標的１０２の周期性の方向（図３の図面を横切る水平方向）と直交している方向に周期性標的１０２を照明するようなものである。図６は、これらの照明条件下で測定されるような、検出器１１９の活性表面に入射する散乱放射線１１８の一部を示す。より具体的には、図６は、０次反射ビーム１１８Ａ、＋１及び－１の回折次数にそれぞれ対応する回折放射線１１８Ｂ及び１１８Ｃ、＋２及び－２の回折次数にそれぞれ対応する回折放射線１１８Ｄ及び１１８Ｅ、並びに＋３及び－３の回折次数にそれぞれ対応する回折放射線１１８Ｆ及び１１８Ｇを示す。図６に示すように、照明ビーム内に存在するそれぞれの波長は、非ゼロ回折次数のそれぞれ内の周期性標的１０２から異なる角度で回折する。したがって、照明ビーム１１４内に存在する波長の範囲λＲＡＮＧＥは、非ゼロ回折次数のそれぞれについて孤１４９に沿って検出器１１９の活性表面を横切って空間的に広がっている。
【0050】
更なる態様では、検出器と測定下のウェーハとの間の距離は、検出器において収集されたスペクトル情報の分解能を変更するように能動的に調整される。いくつかの実施形態では、アクチュエータ（図示せず）は、計算システム１３０からアクチュエータに通信される制御コマンド（図示せず）に応じて検出器１１９を移動させるように構成されている。測定下のウェーハから離れる方への検出器の移動は、収集されたスペクトル情報の分解能を増加させる、すなわち、増加する距離と共に検出器におけるいずれか２つの異なる波長間の空間分離を増加させる。逆に、測定下のウェーハに向かう検出器の移動は、収集されたスペクトル情報の分解能を低下させる、すなわち、減少する距離と共に検出器におけるいずれか２つの異なる波長間の空間分離を減少させる。
【0051】
Ｘ線照明源１１０は、ＷＲ－ＳＸＲ測定に適したＳＸＲ放射線を生成するように構成されている。Ｘ線照明源１１０は、多色高輝度大エテンデュ光源である。いくつかの実施形態では、ｘ線照明源１１０は、１０乃至５，０００電子ボルトの範囲内のｘ線放射を生成するように構成されている。一般に、高スループットインライン計測を可能にするのに十分な磁束レベルで高輝度ＳＸＲを生成することができるいずれかの適切な高輝度ｘ線照明源が、ＷＲ－ＳＸＲ測定のためのｘ線照明を供給するように企図されてもよい。好適なｘ線照明源のいくつかの例としては、回転アノード源、固体アノード源、粒子加速器源、マイクロフォーカス源、レーザ生成プラズマ源、液体金属ジェット源、ガスジェット／毛管／セル源、逆コンプトン散乱源（ＩＣＳ）、小型貯蔵リング源（ＣＳＲ）、放電生成プラズマ源（ＤＰＰ）、高調波発生源（ＨＨＧ）、増強キャビティ（ＨＨＧ＋）を有するＨＨＧ源、及び軟Ｘ線レーザ源が挙げられる。
【0052】
好適なＸ線照明源は、米国特許出願公開第２０１９／０２１５９４０号明細書、米国特許出願公開第２０１６／０２４９４４２号明細書、米国特許出願公開第２０１６／０１２８１７１号明細書、米国特許出願公開第２０１５／００７６３５９号明細書、米国特許出願公開第２０１５／０００８３３５号明細書、米国特許出願公開第２０１４／０３０６１１５号明細書、及び米国特許出願公開第２０１４／０２４６６０７号明細書に記載されており、それぞれの内容は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【0053】
いくつかの実施形態では、照明源１１０は、ウィグラー／アンジュレータシンクロトロン放射線源（ＳＲＳ）である。例示的なウィグラー／アンジュレータＳＲＳは、米国特許第８，９４１，３３６号明細書及び同第８，７４９，１７９号明細書に記載されており、これらの内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0054】
いくつかの実施形態では、照明源１１０は、固体、液体、又はガス標的に衝突して、ｘ線放射を活性化するように構成された電子ビーム源である。高輝度液体金属ｘ線照明を生成する方法及びシステムが、ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐ．へ２０１１年４月１９日に発行された米国特許第７，９２９，６６７号明細書に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0055】
いくつかの実施形態では、照明源１１０は、レーザ生成プラズマ（ＬＰＰ）光源である。これらの実施形態のうちのいくつかでは、ＬＰＰ光源は、キセノン、クリプトン、アルゴン、ネオン、窒素、アルコール、及び水放出材料のうちのいずれかを含む。一般に、適切なＬＰＰ標的材料の選択は、共振ＳＸＲ領域における輝度に対して最適化される。例えば、クリプトンによって放出されたプラズマは、シリコンＫエッジにおける高輝度を提供する。別の一例では、キセノンによって放出されたプラズマは、ＳＸＲ領域、例えば、８０乃至３０００ｅＶを介して高輝度を提供する。このように、キセノンは、広帯域ＳＸＲ照明が望ましいときに、発光材料の良好な選択である。
【0056】
ＬＰＰ標的材料選択は、また、信頼性が高く、長寿命の光源動作に対して最適化されてもよい。キセノン、クリプトン、及びアルゴン等の希ガス標的材料は、不活性であり、最小の除染処理を有する又はそれを有しない閉ループ動作内で再利用され得る。例示的なＳＸＲ照明源が、米国特許出願公開第２０１９／０２１５９４０号明細書に記載されており、その内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0057】
いくつかの実施形態では、適切な照明源が、広帯域である。しかしながら、いくつかの別の実施形態では、適切な照明源は広帯域ではないが、多重離散放射波長（例えば、ＨＨＧ源）を含む。これらの実施形態のうちのいくつかでは、それぞれの回折次数に対する反射率は、いくつかの画像を含み、それぞれの離散波長に対して１つの画像を含む。いくつかの実施形態では、ＨＨＧ源によって生成された多重隣接高調波が周期性標的に提供され、そして検出器の感光表面にある離散点のセットが、より大きな画像に収束する。
【0058】
低発散（例えば、１ミリラジアン未満）を有する照明源は、本明細書に記載したように、波長分解信号情報を生成することが好ましい。低発散照明源は、いくつかの測定用途において（例えば、３Ｄ格子を測定するとき）有利である。高発散源が利用されてもよいけれども、波長分解信号情報を取得するために、照明源から検出器までの光学経路内に追加の光学要素を必要とすることがある。このことは、追加のコスト、複雑さ、及び光子損失を計測システムに付加する。
【0059】
いくつかの実施形態では、より長い波長（例えば、深ＵＶ、真空ＵＶ、可視、又はＩＲ）での光と共に軟Ｘ線を放出する広帯域源が、計測システムの照明源として利用される。
【0060】
Ｘ線照明源１１０は、有限の横方向寸法（すなわち、ビーム軸と直交する非ゼロ寸法）を有する源領域にわたってｘ線放出を生成する。一態様では、照明源１１０の源領域は、２０マイクロメートル未満の横方向寸法によって特徴付けられる。いくつかの実施形態では、源領域は、１０マイクロメートル以下の横方向寸法によって特徴付けられる。いくつかの実施形態では、源領域は、５マイクロメートル以下の横方向寸法によって特徴付けられる。小さい源サイズは、標本上の小さい標的領域を高輝度で照明することを可能にし、それで、小さい計測標的の測定に起因する計測精度、正確度、及びスループットを向上させ得る。いくつかの実施形態では、小さい（＜５マイクロメートルの直径）照明源サイズが、サブミクロン分解能を有する走査計測システムを可能にする。
【0061】
Ｘ線検出器１１９は、標本１０１から散乱させられたｘ線放射１１８を収集して、ＷＲ－ＳＸＲ測定撮画手段に従って入射ｘ線放射に敏感である標本１０１の特性を示す出力信号１３５を生成する。いくつかの実施形態では、散乱ｘ線１１８は、ｘ線検出器１１９によって収集され、一方、標本配置システム１４０は、角度分解された散乱ｘ線を生成するように標本１０１を設置して向きを定める。いくつかの実施形態では、試料均一性に関する信号情報が、標本１０１を横切る異なる場所で信号を収集することによって取得される。
【0062】
一般に、任意の適切なタイプのＸ線検出器が利用されて、本明細書に記載されるようなＷＲ－ＳＸＲ測定を実行し得る。例示的な検出器は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）、ガス電子増倍器（ＧＥＭ）、マイクロストリップ比例計数器、ガス充填比例計数器、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）検出器、ピクセルアレイ検出器（ＰＡＤ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、ＰＩＮダイオードアレイ、フォトダイオードアレイ、光電子増倍管（ＰＭＴ）、ＣＣＤ検出器と共に多重チャンネルプレート、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）検出器、高速ＣＭＯＳ検出器と共にシンチレータ、ＣＭＯＳアクティブピクセルセンサ（ＡＰＳ）等を含む。
【0063】
いくつかの実施形態では、ＷＲ－ＳＸＲシステムは、高ダイナミックレンジ（例えば、１０５超）を有する１つ又は複数の光子計数検出器を含む。いくつかの実施形態では、Ｘ線検出器は、１つ又は複数のｘ線光子エネルギを分解し、そして標本の特性を示すそれぞれのＸ線エネルギ成分についての信号を生成する。このように、検出器内でのｘ線光子相互作用は、ピクセル位置及びカウント数に加えて、エネルギによって識別される。いくつかの実施形態では、Ｘ線光子相互作用は、Ｘ線光子相互作用のエネルギを所定の上側閾値及び所定の下側閾値と比較することによって識別される。一実施形態では、この情報は、更なる処理及び記憶のための出力信号１３５を介して計算システム１３０に通信される。
【0064】
更なる態様では、ＷＲ－ＳＸＲシステムが利用されて、標本の特性（例えば、構造パラメータ値）は、散乱光の１つ又は複数の非ゼロ回折次数での波長分解信号情報に基づいて決定される。図１に示すように、測定ツール１００は、検出器１１９によって生成された信号１３５を取得して、取得された信号に少なくとも部分的に基づいて標本の特性を決定するために利用される計算システム１３０を含む。
【0065】
いくつかの例では、ＷＲ－ＳＸＲに基づく計測は、測定されたデータを用いた、事前に決定された測定モデルの逆解法によって試料の寸法を決定することを含む。測定モデルは、少数の（１０のオーダーの）調整可能なパラメータを含み、標本の幾何学形状及び光学特性及び測定システムの光学特性を表す。逆解の方法は、モデルベースの回帰、トモグラフィ、機械学習、又はそれらの任意の組合せを含むが、これらに限定されない。このように、標的プロファイルパラメータが、測定された散乱ｘ線強度とモデル化結果との間の誤差を最小化するパラメータ化された測定モデルの値を解くことによって推定される。
【0066】
測定されたパラメータ値の精度及び正確度を向上させるために、波長、入射角、及び方位角についての広い範囲において測定を行うことが望ましい。このアプローチは、解析に利用可能なデータセットの数及び多様性を拡大することによって、パラメータ同士の間の相関を減少させる。
【0067】
照明波長、ウェーハ表面法線に対するｘ線入射角、又はこれらの組合せの関数としての回折放射線の強度の測定値が、収集される。多重回折次数内に含まれる波長分解信号情報は、典型的には、考慮下のそれぞれのモデルパラメータ同士の間で一意的である。これにより、ｘ線散乱が、小さい誤差及び低減されたパラメータ相関を有する関心のパラメータの値についての推定結果をもたらす。
【0068】
一態様では、計測ツール１００は、ウェーハ１０１を固定的に支持する、及び標本配置システム１４０に結合されているウェーハチャック１０３を含む。標本配置システム１４０は、照明ビーム１１４に関して６自由度で標本１０１を能動的に配置するように構成されている。一例では、計算システム１３０は、標本配置システム１４０に標本１０１の所望の位置を示すコマンド信号（図示せず）を通信する。これに応じて、標本配置システム１４０は、標本１０１の所望の配置を達成するために、標本配置システム１４０の様々なアクチュエータにコマンド信号を生成する。
【0069】
いくつかの例では、測定がウェーハにおける入射角、方位角、及び位置の範囲にわたって行われることにより、測定性能を改善するために最適化された異なる照明及び収集角度を提供する。
【0070】
いくつかの実施形態では、ｘ線光学系は、ｘ線放射を整形して、照明源１１０から標本１０１まで誘導する。いくつかの例では、ｘ線光学系は、多層ｘ線光学系を使用して、ｘ線ビームを標本１０１の測定領域１０２上に１ミリラジアン発散未満まで視準又は集束させる。いくつかの実施形態では、ｘ線光学系は、１つ又は複数のｘ線視準鏡、ｘ線開口、ｘ線ビームストップ、屈折ｘ線光学系、ゾーンプレート等の回折光学系、Ｓｃｈｗａｒｚｓｃｈｉｌｄ光学系、Ｋｉｒｋｐａｔｒｉｃｋ－Ｂａｅｚ光学系、Ｍｏｎｔｅｌ光学系、Ｗｏｌｔｅｒ光学系、楕円鏡等の正反射型ｘ線光学系、中空毛管ｘ線導波管等のポリキャピラリ光学系、多層光学系若しくはシステム、又はそれらの任意の組合せを含む。更なる詳細が、米国特許出願公開第２０１５／０１１０２４９号に記載されており、その内容が全体として参照により本明細書に組み込まれる。
【0071】
図７は、別の一実施形態における、標本の特性を測定するためのＷＲ－ＳＸＲ計測ツール２００の実施形態を示す。図７に示すように、集束光学系１１１は、標本１０１上に位置する計測標的上に源放射線を集束させる。有限の横方向源寸法は、ビームスリット１１２及び１１３によって提供された、源及び任意のビーム整形のエッジから来る光線１１６によって画定された、標的上の有限スポットサイズ１０２をもたらす。
【0072】
いくつかの実施形態では、集束光学系１１１は、楕円形状の集束光学要素を含む。図７に示す実施形態では、楕円の中心での集束光学系１１１の倍率は、約１である。その結果、標本１０１の表面上に投射された照明スポットサイズは、照明源とほぼ同じ大きさであり、公称かすめ入射角（例えば、１乃至４５度）に起因したビーム広がりのために調整される。
【0073】
更なる態様では、集束光学系１１１は、源放射を収集して、１つ又は複数の離散波長又はスペクトル帯域を選択し、そして１乃至４５度内の範囲のかすめ入射角で標本１０１上に選択された光を集束させる。
【0074】
公称かすめ入射角は、計測標的の所望の浸透を達成するように選択されることにより、計測標的境界内に残りながら、信号情報量を最大化する。硬ｘ線の臨界角は非常に小さいが、軟ｘ線の臨界角は有意に大きい。この追加的な測定自由度の結果として、ＷＲ－ＳＸＲ測定は、かすめ入射角の正確な値に対してより低い感度を有する構造内により深く探査する。
【0075】
いくつかの実施形態では、集束光学系１１１は、標本１０１上に投射するための所望の波長又は波長範囲を選択する段階的多層構造を含む。いくつかの例では、集束光学系１１１は、１つの波長を選択して、選択された波長を入射角の範囲にわたって標本１０１上に投射する段階的多層構造（例えば、層又はコーティング）を含む。いくつかの例では、集束光学系１１１は、波長の範囲を選択して、１つの入射角にわたって標本１０１上に選択された波長を投射する段階的多層構造を含む。いくつかの例では、集束光学系１１１は、波長の範囲を選択して、入射角の範囲にわたって標本１０１上に選択された波長を投射する段階的多層構造を含む。
【0076】
段階的多層光学系は、単層格子構造が深すぎるときに生じる光の損失を最小化するのに好ましい。一般に、多層光学系は、反射波長を選択する。選択された波長のスペクトル帯域幅は、試料１０１に提供された磁束、測定された回折次数における情報量を最適化し、そして検出器での角度分散及び回折ピーク重複による信号の劣化を防止する。それに加えて、段階的多層光学系が用いられて発散を制御する。それぞれの波長での角度発散は、検出器での磁束及び最小空間重複について最小化される。
【0077】
いくつかの例では、段階的多層光学系は、波長を選択することにより、特定の材料界面又は構造寸法からの回折信号のコントラスト及び情報量を向上させる。例えば、選択された波長は、要素固有の共鳴領域（例えば、シリコンＫ－エッジ、窒素、酸素Ｋ－エッジ等）に跨るように選択されてもよい。それに加えて、これらの例では、照明源は、また、選択されたスペクトル領域における磁束を最大化するように同調されてもよい（例えば、ＨＨＧスペクトル同調、ＬＰＰレーザ同調等）。
【0078】
いくつかの実施形態では、Ｎｂ２Ｏ５ミラーに基づく反射多層光学系が利用される。図１３は、照明ビームエネルギの関数としてＮｂ２Ｏ５ミラーの反射率１４６を示すプロット１４５を示す。図１３に表すように、８５％又はそれを超える反射率が、広範囲のｘ線ビームエネルギにわたって達成される。いくつかの実施形態では、Ｎｂ２Ｏ５ミラーは、広帯域ｘ線源と組み合わせて使用されるとき、有益である。
【0079】
更なる態様では、同じ計測領域上に投射された波長、ＡＯＩ、方位、又はそれらの任意の組合せの範囲は、集束光学系１１１の１つ又は複数のミラー要素を能動的に配置することによって調整される。図７に表すように、計算システム１３０は、アクチュエータシステム１１５に指令信号１３７を通信し、指令信号は、アクチュエータシステム１１５に、集束光学系１１１の１つ又は複数の光学要素の位置、整列、又はその両方を調整させることにより、試料１０１上に投射された波長、ＡＯＩ、方位、又はそれらの任意の組合せの所望の範囲を達成する。
【0080】
一般に、入射角は、測定下の計測標的による照明光の浸透及び吸収を最適化するように選択される。多くの例では、多層構造が測定され、入射角が選択されることにより、所望の関心の層と関連する信号情報を最大化する。重複計測の例では、１つ又は複数の波長及び１つ又は複数の入射角度が選択されることにより、以前の層からの散乱と現在の層からの散乱との間の干渉に起因する信号情報を最大化する。更に、方位角がまた、信号情報量を最適化するように選択される。更に、方位角が、検出器での回折ピークの角度分離を確実にするように選択される。
【0081】
更なる態様では、ＷＲ－ＳＸＲ計測システム（例えば、計測ツール２００）は、１つ以上のビームスリット又は開口を含むことにより、標本１０１に入射する照明ビーム１１４を整形して、測定下の計測標的を別途照明するような照明光の一部を選択的に遮断する。１つ又は複数のビームスリットは、ｘ線照明スポットが測定下の計測標的の領域内に適合するようにビームサイズ及び形状を画定する。更に、１つ又は複数のビームスリットは、照明ビーム発散を規定することにより、検出器での回折次数の重複を制限する。
【0082】
図７は、集束光学系１１１とビーム整形スリット１１３との間のビーム経路内に位置するビーム発散制御スリット１１２を表す。ビーム発散制御スリット１１２は、測定下の試料に提供される照明の発散を制限する。ビーム整形スリット１１３は、ビーム発散制御スリット１１２と試料１０１との間のビーム経路内に位置する。ビーム整形スリット１１３は、更に入射ビーム１１４を整形し、入射ビーム１１４の１つ又は複数の照明波長を選択する。ビーム整形スリット１１３は、試料１０１の直前のビーム経路内に位置する。１つの態様では、ビーム整形スリット１１３のスリットが、試料１０１に近接して位置することにより、有限の源サイズによって規定されたビーム発散による入射ビームスポットサイズの拡大を最小化する。
【0083】
いくつかの実施形態では、ビーム整形スリット１１３は、多重の独立作動型ビーム整形スリットを含む。一実施形態では、ビーム整形スリット１１３は、４つの独立作動型ビーム整形スリットを含む。これら４つのビーム整形スリットは、入来ビームの一部を効果的に遮断して、ボックス形状の照明断面を有する照明ビーム１１４を生成する。
【0084】
ビーム整形スリット１１３のスリットは、散乱を最小化して、入射放射線を効果的に遮断する材料から構成されている。例示的な材料は、ゲルマニウム、ガリウム砒素、リン化インジウム等の単結晶材料を含む。典型的には、スリット材料は、結晶学的方向に沿って、鋸で切られるよりも切断されることにより、構造境界にわたる散乱を最小化する。更に、スリットは、入来ビームに対して向けられることにより、入来放射線とスリット材料の内部構造との間の相互作用が最小量の散乱を生じさせる。結晶が、高密度材料（例えば、タングステン）からできたそれぞれのスリットホルダに取り付けられることにより、スリットの片側においてｘ線ビームを完全に遮断する。
【0085】
更なる態様では、本明細書に記載されたようなＷＲ－ＳＸＲ計測システムは、照明ビームエネルギを制御するための１つ又は複数の機構を利用する。一般に、照明ビームエネルギは、測定下の特定の試料内への適切なｘ線浸透を確実にするように選択される。いくつかの例では、より小さい浸透を有するビームエネルギが、表面により近くでパラメータを測定するために選択される。これらの例では、照明ビームエネルギは、構造内に深く浸透することなく、表面上の構造を探査するだけである。いくつかの例では、より大きい浸透を有するビームエネルギが、測定下の構造内のより深くでパラメータを測定するように選択される。いくつかの例では、低い及び高い浸透を有するエネルギの組合せが、表面構造パラメータを埋め込み構造パラメータと区別するように選択される。
【0086】
いくつかの実施形態では、照明ビームエネルギは、広範囲のエネルギにわたって同調可能な照明源１１０によって選択される。これらの実施形態では、照明源自体が所望の１つ又は複数の範囲内の照明エネルギを放出する。いくつかの実施形態では、照明源１１０は、１つ又は複数の選択されたスペクトル領域内において束を最大化するために計算システム１３０によって制御されるＬＰＰ光源である。標的材料でのレーザピーク強度は、プラズマ温度、したがって放出された放射線のスペクトル領域を制御する。レーザピーク強度は、パルスエネルギ、パルス幅、又はその両方を調整することによって変化させられる。一例では、１００ピコ秒のパルス幅が、ＳＸＲ放射線を生成するのに適している。図１に示すように、計算システム１３０は、照明源１１０から放出された波長のスペクトル範囲を照明源１１０に調整させるための、照明源１１０への指令信号１３６を通信する。一例では、照明源１１０は、ＬＰＰ光源であり、ＬＰＰ光源は、パルス持続時間、パルス周波数、及び標的材料組成のうちのいずれかを調整することにより、ＬＰＰ光源から放出された波長の所望のスペクトル範囲を実現する。
【0087】
いくつかの別の実施形態では、照明ビームエネルギは、照明源と測定下の試料との間の光学経路内の１つ又は複数の光学要素によって選択される。いくつかの実施形態では、集束光学系１１１は、測定下の試料上に所望の１つ又は複数のビームエネルギ範囲で照明ビームを集束させるように選択される。いくつかの実施形態では、ビームエネルギフィルタ１５０（図７に示す）が、照明源と測定下の試料との間の光学経路中に位置している。ビームエネルギフィルタは、測定下の試料上に所望の１つ又は複数のビームエネルギ範囲を透過し、そして所望の１つ又は複数のビームエネルギ範囲外のビームエネルギを吸収する。
【0088】
図８は、一例では、ビームエネルギフィルタ１５０を通過する照明ビーム１１４を示す図である。図８に示すように、入来照明ビーム１１４の波長スペクトル１５２は、多数の波長ピークを含む。しかし、ビームエネルギフィルタ１５０を通過した後に、透過照明ビーム１１４の波長スペクトル１５３は、４つの別個の波長ピークを含む。
【0089】
図９は、Ｋａｐｔｏｎ基材上に堆積された約０．２マイクロメートルの厚さのホウ素層及びスズ層から作製されたビームエネルギフィルタ１５０の透過率曲線１５６を示すプロット１５５を示す。図９に示すように、かかるビームエネルギフィルタは、約１４０ｅＶ乃至１９０ｅＶの範囲内のビームエネルギを透過させ、そしてこの帯域外のビームエネルギを排除する。
【0090】
更なる態様では、ＷＲ－ＳＸＲ計測システムの入射照明ビームは、入射照明ビームを横切る１つの方向に比較的高い発散と、第１の方向と直交する入射照明ビームを横切る第２の方向の比較的低い発散と、を有するように制御される。このように、高発散方向の検出器の活性表面を横切る空間的広がりは、低発散方向の検出器の活性表面を横切る空間的広がりと直交している。高発散方向の検出器の活性表面を横切る空間的広がりは、比較的高い発散に基づく入射角によって支配される。一方、低発散方向の検出器の活性表面を横切る空間的広がりは、前述のようにそれぞれの回折次数内の波長分散によって支配される。このように、それぞれの非ゼロ回折次数が、スペクトル反射率（低発散方向の）及び角反射率（高発散方向の）に起因する測定下の構造に関する信号情報を含む。
【0091】
いくつかの実施形態では、ＷＲ－ＳＸＲシステムの集束光学系は、入射照明ビームを横切る１つの方向の少なくとも５の縮小（すなわち、０．２以下の拡大係数）を伴って、及び第１の方向と直交する入射照明ビームを横切る第２の方向の拡大を伴わずに、測定下の標本上に照明源の画像を投射する。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるようなＷＲ－ＳＸＲシステムは、ＳＸＲ照明源を利用し、ＳＸＲ照明源は、照明ビームを横切る任意の方向の低い出力発散（例えば、約１ミリラジアン以下）を有する２０マイクロメートル以下の横方向寸法（すなわち、源サイズが２０マイクロメートル以下である）によって特徴付けられる源領域を有する。いくつかの実施形態では、集束光学系は、ビームを横切る第１の方向に少なくとも５の縮小係数（すなわち、源サイズの５分の１であるウェーハ上に源の画像を投射する）を伴って、及び第１の方向と直交する入射照明ビームを横切る第２の方向に拡大を伴わずに利用される。この例では、入射照明ビームは、第２の方向に２０マイクロメートル以下の、第１の方向に４マイクロメートル以下の入射照明スポットサイズを伴って標本上に投射される。更に、入射照明ビームは、第２の方向に１ミリラジアン以下、及び第１の方向に５ミリラジアン以下の入射照明ビーム発散を伴って標本上に投射される。
【0092】
図１０は、別の一実施形態におけるＷＲ－ＳＸＲ計測ツール３００の実施形態を示す。図１０に示す類似番号付け要素が、図１及び７に関して説明されたものと類似している。図１０に示すように、集束光学系１１１は、一次元の曲率を有する楕円形光学要素である。集束光学系１１１は、照明源１１０と集束光学系１１１との間の距離Ａが、集束光学系１１１と標本１０１との間の距離Ｂよりも有意に大きいように、照明源１１０及び試料１０１に対して配列される。いくつかの実施形態では、Ａ／Ｂの比は、少なくとも５である。いくつかの実施形態では、Ａ／Ｂの比は、少なくとも１０である。このことが、Ａ／Ｂの係数によって照明源が試料１０１上に縮小されることをもたらす。一実施形態では、照明源１１０のサイズは、約１０マイクロメートルであり、集束光学系１１１は、Ａ／Ｂが１０であるように配列される。照明源１１０によって出力された照明ビームのビーム発散は、照明ビームを横切る任意の方向に約０．５ミリラジアンである。この実施形態では、試料１０１上に投射された照明スポットサイズは、縮小を受けるビームを横切る方向に約１マイクロメートルであり、そしてビームを横切る、縮小を受けない第１の方向と直交する第２の方向に約１０マイクロメートルである。更に、入射照明ビームは、第２の方向に約０．５ミリラジアンの入射照明ビーム発散、及び第１の方向に５ミリラジアンの入射照明ビーム発散を伴って標本上に投射される。
【0093】
図１１は、単一波長照明光について図１０に表す照明条件下で測定されるような検出器１１９の活性表面に入射する散乱放射線１１８を示す図解１４１である。より具体的には、図１１は、０次反射ビーム１１８Ａと、－１の回折次数に対応する回折放射線１１８Ｃと、－２の回折次数に対応する回折放射線１１８Ｅと、－３の回折次数に対応する回折放射線１１８Ｇと、－４の回折次数に対応する回折放射線１１８Ｉとを表す。図１１に示すように、照明ビーム内に存在する単一波長は、周期性標的１０２から回折次数のそれぞれへと回折する。照明光が１つの波長のみを含み、この方向のビーム発散が比較的低い（例えば、０．５ミリラジアン）ので、非ゼロ回折次数での波長方向の非常に小さい空間的広がりが存在する。しかし、波長方向と直交する方向において、この方向のビーム発散が比較的高い（例えば、５ミリラジアン）ので、全ての回折次数での角度範囲にわたる有意な空間的広がりが存在する。
【0094】
図１２は、広帯域照明光について図１０に示す照明条件下で測定されるような、検出器１１９の活性表面に入射する散乱放射線１１８の図解１４２である。より具体的には、図１２は、０次反射ビーム１１８Ａと、－１の回折次数に対応する回折放射線１１８Ｃと、－２の回折次数に対応する回折放射線１１８Ｅと、－３の回折次数に対応する回折放射線１１８Ｇと、－４の回折次数に対応する回折放射線１１８Ｉとを表す。図１２に表すように、照明ビーム内に存在する異なる波長は、非ゼロ回折次数のそれぞれ内での異なる角度で周期性標的１０２から回折する。したがって、照明ビーム１１４内に存在する波長の範囲λＲＡＮＧＥは、非０次回折次数のそれぞれについてｙ方向に空間的に広がる。照明光が多重の異なる波長を含むので、非ゼロ回折次数の波長方向の実質的な空間的広がりが存在する。更に、この方向のビーム発散が比較的低く（例えば、０．５ミリラジアン）、それで、ｙ方向に存在する波長情報は、角度情報によって有意に汚染されることがない。しかし、波長方向と直交するｘ方向では、この方向のビーム発散が比較的高い（例えば、５ミリラジアン）ので、全ての回折次数での角度範囲にわたる空間的広がりが存在する。したがって、多重波長で実行され、一方向にビームを横切る比較的に高いビーム発散と、第１の方向と直交する第２の方向にビームを横切る比較的に低いビーム発散とを有する測定が、測定下の標的と関連する波長及び角度信号情報の両方を提供する。
【0095】
米国特許出願公開第２０１９／００１７９４６号明細書は、比較的高い発散を有する入射照明を概して利用する多色軟ｘ線反射計システムを記載しており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。しかし、かかるシステムは、本明細書に記載されたような波長分解回折信号を提供しない。
【0096】
一般に、測定下の標本とＷＲ－ＳＸＲ計測システムの検出器との間のＸ線収集経路は、前述のように照明経路内で使用される要素の任意の組合せを含んでもよい。
【0097】
いくつかの実施形態では、１つ又は複数の回折次数を遮断するスリットが利用される。一実施形態では、金属製ビームストップが用いられて０次反射を遮断する。
【0098】
いくつかの実施形態では、空間減衰器が、収集経路内に位置することにより、１つ又は複数の回折次数（例えば、０次）と関連する光の一部を選択的に減衰させるが、別の次数ではそうではない。このように、全ての次数が、同時に検出器上で同じダイナミックレンジで測定される。
【0099】
一般に、照明経路、収集経路、又はその両方に位置する上記光学要素は、それぞれの測定についての標的サイズ、光子束、ビーム形状から独立した制御を可能にする。
【0100】
別の更なる一態様では、測定性能が、１つ以上の液体材料又は１つ以上の気体材料を測定下の標的上に流すことによって改善されることにより、測定される材料同士の間のコントラストを増加させる。これらの技術の更なる説明は、米国特許第１０，２８１，２６３号明細書、同１０，０４１，８７３号明細書及び同１０，１４５，６７４号明細書に記載されており、それぞれの内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態では、蒸気注入システムが、構造物の照明中に、測定下の構造物に蒸気相の充填材料を含むガス流を提供する。充填材料の一部は、液相で構造物上で凝縮される。充填材料の一部は、構造物の１つ又は複数の幾何学的特徴同士の間の空間の少なくとも一部を充填する。
【0101】
一般に、本明細書に記載されたシステム及び方法に従う測定下の標的は、半導体製造プロセスの任意のステップにおいて、任意の周期性又は半周期性構造を含む。
【0102】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されたＷＲ－ＳＸＲ計測システムが、周期性計測標的を測定するために利用される。例えば、図１６Ａは、ピッチＰを有する周期性格子構造を有する計測標的１６０を表す。しかし、別の一態様では、本明細書に記載されたようなＷＲ－ＳＸＲ計測システムは、周期性及び非周期性の両方を示す間引かれた計測標的を測定するために利用される。間引かれた計測標的は、公称周期性の単位セルのアレイを含む計測標的であり、公称周期性のアレイの１つ又は複数のセルは、アレイ内のプログラムされた又はランダムな場所で削除、変位、又は構造的に修正される。例えば、図１６Ｂは、ピッチＰの公称周期性の格子構造を有する計測標的１６１を表す。しかし、それに加えて、格子構造の特定のフィンが、計測標的１６１内に存在しない。その結果、測定下の計測標的１６１からの散乱についての角度分布が、局在化された回折ピークになる周期性特性、及び拡散散乱としても知られる非周期性挙動の両方を示す。
【0103】
一般に、ブラッグピーク同士間の拡散散乱の分布は、公称周期性単位セルアレイの要素をランダムな又はプログラムされた方式で削除することによって増加される。拡散強度角度分布は、構造係数の２乗に比例する。間引かれた計測標的が利用されると、ブラッグピーク強度が減少するけれども、より多くのピクセルが、散乱光がより多くのピクセルにわたって拡散されるので、非ゼロの情報量を含む。モデルベースの測定が、全てのピクセルからの情報を使用し得るので、測定の情報量の全体的な増加は、測定精度及び正確度を改善する。一般に、ブラッグピーク強度は、削除されたセルの割合が増加するにつれて減少する。計測標的の望ましい間引きは、全体的な測定情報量を最大化する。いくつかの例では、間引かれた計測標的は、計測標的の構造因子がブラッグピーク位置の大きいサブセット（例えば、５０％のデューティサイクルの方形波）においてゼロである場合に生じる曖昧さを解決する。ＷＲ－ＳＸＲ計測システムは、逐次的な単一波長動作モードで、又は同時的な多重波長動作モードで、間引かれた計測標的を測定するために利用されてもよい。
【0104】
いくつかの実施形態では、計測標的は、信号情報を最大化する、したがって取得時間を最小化するように選択された全般の又は特定の非周期性を含む。論理標準セルアレイについての設計ルールは、固定グリッド上にプリミティブ要素を設置して、パターン密度変動を狭い範囲内で制御する。論理構造の計測は、局所領域における平均的な特徴サイズ及び分離の高精度推定を達成することに重点が置かれる。占有率及び周期性は、これらの態様がリソグラフィプロセスにおいて良好に制御されるので、重要ではない。論理構造についての計測標的は、強度分布を最適化することにより、散乱束が所望の特徴パラメータセットについて高い情報量を含む角度領域において増加させられる。一例では、計測標的は、中央領域による回折についての情報量を向上させる境界領域を含む。
【0105】
別の更なる一態様では、ＷＲ－ＳＸＲ計測システムは、多重検出器を利用する。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の回折次数が、第１の検出器によって収集され、別の回折次数が、別の検出器によって収集される。
【0106】
図１４は、別の一実施形態におけるＷＲ－ＳＸＲ計測システム４００を示す。図１４に示すように、検出器１７０の活性表面は、非ゼロ回折次数の光学経路内に位置し、検出器１７１の活性表面は、ゼロ回折次数の光学経路内に位置する。図１４に示す実施形態では、検出器１７０は、透明若しくは半透明である開口、又は検出器１７１まで０次回折次数を通過させる空隙を含む。図１４に示すように、検出器１７０によって生成された検出信号１７２、及び検出器１７１によって生成された検出信号１７３が、計算システム１３０に通信される。
【0107】
いくつかの実施形態では、検出器１７０が、Ｘ線波長を測定するように構成され、検出器１７１が、Ｘ線波長、紫外線波長、可視波長、赤外波長、又はそれらの任意の組合せを測定するように構成される。図１４に表す一実施形態では、検出器１７１は、真空チャンバ１２３内に位置している。この実施形態は、軟ｘ線を含む検出器１７１による放射線の検出を含む測定構成に適している。しかし、いくつかの別の実施形態では、検出器１７１は、真空チャンバ１２３外に位置している。これらの実施形態は、軟ｘ線（例えば、紫外、可視、赤外等のより長い波長）を含まない検出器１７１による放射線の検出を含む測定構成に適している。
【0108】
更なる態様では、ＷＲ－ＳＸＲ計測システムの検出器の位置が、測定下の標的によって反射された放射線を捕捉するように能動的に制御される。いくつかの実施形態では、計算システム１３０は、検出器１１９に結合されたアクチュエータ（図示せず）に制御コマンド（図示せず）を通信し、制御コマンドは、検出器１１９の活性表面を収集された光に対して傾斜又は並進させる。
【0109】
いくつかの実施形態では、ＷＲ－ＳＸＲは、１つ又は複数の照明波長が測定される構造の周期よりも短いので、設計ルール標的における測定を可能にする。このことは、測定が設計ルール標的よりも大きいものにおいて実行される既存技術を上回る有意な利点を提供する。ＷＲ－ＳＸＲ波長の使用は、プロセス設計ルールでの標的設計、すなわち「非ゼロオフセット」が無いことを可能にする。
【0110】
ＷＲ－ＳＸＲ測定のための計測標的は、１次元周期性アレイ又は２次元周期性アレイを含んでもよい。ＷＲ－ＳＸＲによって測定される関心のパラメータは、試料に関する寸法情報（例えば、層厚、格子高さ、臨界寸法、側壁角度、オーバーレイ、エッチング配置誤差）及び材料情報（例えば、材料組成）を含むが、これらに限定されない。
【0111】
いくつかの実施形態では、照明源１１０は、１０マイクロメートル以下の源サイズを有するＬＰＰ光源であり、集束光学系１１１は、約１０分の１の縮小係数を有する。このことは、ＷＲ－ＳＸＲ計測ツール３００が、１乃至２マイクロメートルの寸法を有する計測標的上に照明光を集束させることを可能にする。入射照明光を１乃至２マイクロメートルの照明スポットサイズに集束させることによって、ＷＲ－ＳＸＲ計測ツール３００は、ウェーハスクライブ線領域内に位置するより大きい計測標的に依存するのではなく、ダイ内に位置する限界寸法標的及びオーバーレイ標的の測定を可能にする。
【0112】
１乃至２マイクロメートルの寸法を有する標的を測定する能力は、特殊計測標的に関与するウェーハ領域を減少させる。更に、１乃至２マイクロメートルの寸法を有する標的を測定する能力は、特殊計測標的ではない、デバイス構造の直接測定を可能にする。測定デバイス構造は、標的からデバイスへのバイアスを直接的に排除する。これにより、測定品質を有意に向上させる。それに加えて、ダイ内標的の測定は、ダイ内のパラメータ変動の特徴付けを可能にする。関心の例示的なパラメータは、限界寸法、オーバーレイ、及びエンドライン短縮、接触距離までの線等のエッジ配置誤差、その他を含む。
【0113】
いくつかの実施形態では、ｘ線照明源１１０、集束光学系１１１、スリット１１２及び１１３、又はこれらの任意の組合せが、試料１０１と同じ大気環境（例えば、ガスパージ環境）内に維持される。しかし、いくつかの実施形態では、これらの要素のうちのいずれか同士の間及びそれらの内部の光学経路長が長く、空気中のｘ線散乱及び吸収が、検出器上の画像にノイズ及び信号減衰を与える。従って、いくつかの実施形態では、ｘ線照明源１１０、集束光学系１１１、並びにスリット１１２及び１１３のうちのいずれかが、局在的真空環境内に維持される。図７に示す実施形態では、照明源１１０、集束光学系１１１、並びにスリット１１２及び１１３は、排気されたフライトチューブ１１７内の制御された環境（例えば、真空）内に維持される。照明ビーム１１４は、試料１０１に入射する前に、フライトチューブ１１７の端部の窓１２０を通過する。
【0114】
同様に、いくつかの実施形態では、試料１０１と検出器１１９との間の光学経路長（すなわち、収集ビーム経路）は長く、空気中のｘ線散乱及び吸収は、検出器上の画像にノイズ及び減衰を与える。したがって、好ましい実施形態では、試料１０１と検出器１１９との間の収集ビーム経路長のかなりの部分は、真空窓（例えば、真空窓１２４）によって試料（例えば、試料１０１）から分離された局所的真空環境内に維持される。いくつかの実施形態では、ｘ線検出器１１９は、試料１０１と検出器１１９との間のビーム経路長と同じ局所的真空環境内に維持される。例えば、図７に表すように、真空チャンバ１２３は、検出器１１９、及び試料１０１と検出器１１９との間のビーム経路長のかなりの部分を囲む局所的真空環境を維持する。
【0115】
いくつかの別の実施形態では、ｘ線検出器１１９は、試料１０１と同じ大気環境（例えば、ガスパージ環境）内に維持される。このことは、検出器１１９から熱を除去するのに有利であることがある。しかし、これらの実施形態では、真空チャンバ内の局所的真空環境内の、試料１０１と検出器１１９との間のビーム経路長のかなりの部分を維持することが好ましい。
【0116】
いくつかの実施形態では、試料１０１を含む光学システム全体が、真空中に維持される。しかし、一般に、真空中に試料１０１を維持することと関連するコストは、試料配置システム１４０の構成と関連する複雑さに起因して高い。
【0117】
別の更なる一態様では、計算システム１３０は、試料の測定される構造の構造モデル（例えば、幾何学的モデル、材料モデル、又は幾何学的モデルと材料モデルとの複合）を生成することと、構造モデルから少なくとも１つの幾何学的パラメータを含むＷＲ－ＳＸＲ応答モデルを生成することと、ＷＲ－ＳＸＲ応答モデルとのＷＲ－ＳＸＲ測定データの適合解析を行うことによって少なくとも１つの標本パラメータ値を解くことと、を行うように構成されている。解析エンジンが使用されて、シミュレートされたＷＲ－ＳＸＲ信号を測定されたデータと比較し、それによって試料の幾何学的特性及び電子密度等の材料特性の決定を可能にする。図１に示す実施形態では、計算システム１３０は、本明細書に記載されたような、モデル構築及び解析機能を実装するように構成されたモデル構築及び解析エンジンとして構成されている。
【0118】
図１５は、計算システム１３０によって実装される例示的なモデル構築及び解析エンジン１８０を示す図である。図１５に示すように、モデル構築及び解析エンジン１８０は、試料の測定される構造の構造モデル１８２を生成する構造モデル構築モジュール１８１を含む。いくつかの実施形態では、構造モデル１８２は、また標本の材料特性を含む。構造モデル１８２は、ＷＲ－ＳＸＲ応答関数構築モジュール１８３への入力として受信される。ＷＲ－ＳＸＲ応答関数構築モジュール１８３は、少なくとも部分的に構造モデル１８２に基づいてＷＲ－ＳＸＲ応答関数モデル１８４を生成する。適合解析モジュール１８５は、モデル化されたＷＲ－ＳＸＲ応答を対応する測定データと比較することにより、試料の幾何学的特性及び材料特性を決定する。
【0119】
いくつかの例では、モデル化されたデータの実験データへの適合は、カイ二乗値を最小化することによって達成される。例えば、ＷＲ－ＳＸＲ測定について、カイ二乗値が次式のように定義され得る。
【数2】
【0120】
ここに、
は、「チャンネル」ｊ内で測定されたＷＲーＳＸＲ信号１２６であり、添字ｊは、回折次数、エネルギ、角座標等のシステムパラメータのセットを記述する。
は、「チャネル」ｊに対するモデル化ＷＲ－ＳＸＲ信号Ｓｊであり、構造（標的）パラメータｖ１，・・・，ｖＬのセットについて評価され、ここに、これらのパラメータは、幾何学的（ＣＤ、側壁角度、オーバーレイ等）及び材料（電子密度等）を記述する。σＳＸＲ，ｊは、第ｊチャンネルと関連する不確定性である。ＮＳＸＲは、ｘ線計測におけるチャネルの総数である。Ｌは、計測標的を特徴付けるパラメータの数である。
【数3】
【数4】
【0121】
式（２）は、異なるチャネルと関連する不確実性が相関していないと仮定する。異なるチャネルと関連する不確実性が相関している例では、不確実性同士の間の共分散を計算し得る。これらの例では、ＷＲ－ＳＸＲ測定についてのカイ二乗値が次式として表示され得る。
【数5】
【0122】
ここで、ＶＳＸＲは、ＷＲ－ＳＸＲチャネル不確定性の共分散行列であり、Ｔは転置を示す。
【0123】
いくつかの例では、適合解析モジュール１８５は、ＷＲ－ＳＸＲ応答モデル１８４を用いてＷＲ－ＳＸＲ測定データ１３５について適合解析を実行することによって、少なくとも１つの試料パラメータ値を解く。いくつかの例では、
は、最適化される。
【数6】
【0124】
前述のように、ＷＲ－ＳＸＲデータの適合は、カイ二乗値の最小化によって達成される。しかし、一般に、ＷＲ－ＳＸＲデータの適合は、別の機能によって達成されてもよい。
【0125】
別の更なる一態様では、計算システム１３０は、測定下の構造を特徴付ける１つ又は複数の関心のパラメータ（例えば、測定下の構造を記述する幾何学的パラメータ）の値にＷＲ－ＳＸＲ測定データを写像する入出力モデル（例えば、ニューラルネットワークモデル、信号応答計測モデル等）を訓練するように構成されている。更に、計算システム１３０は、入力出力モデルを利用して、ＷＲ－ＳＸＲ測定データに基づいて関心のパラメータの値を推定するように構成されている。
【0126】
ＷＲ－ＳＸＲデータは、多数のデータ適合並びに最適化技術及び技法によって解析され得、該技術及び技法は、ライブラリ、高速次数削減モデル、回帰、ニューラルネットワーク及びサポートベクターマシン（ＳＶＭ）等の機械学習アルゴリズム、ＰＣＡ（主成分分析）、ＩＣＡ（独立成分分析）、ＬＬＥ（局所線形埋め込み）等の次元削減アルゴリズム、フーリエ若しくはウェーブレット変換等のスパース表現、カルマンフィルタ、同一又は異なるツールタイプからのマッチングを促進するアルゴリズム等を含む。
【0127】
ＷＲ－ＳＸＲデータは、また、モデル化、最適化、及び／又は適合を含まないアルゴリズムによって解析され得、該アルゴリズムは、例えば、Ｂｒｉｎｇｏｌｔｚらの米国特許出願公開第２０１５／０２０４６６４号明細書及び米国特許出願公開第２０１６／０２１６１９７号明細書に開示されており、それぞれの内容が全体として参照により本明細書に組み込まれる。
【0128】
ＷＲ－ＳＸＲ計測データの解析は、関心の幾何学的及び／又は材料パラメータへの感度を提供する任意のタイプのＷＲ－ＳＸＲ技術にとって有利である。標本パラメータは、標本とのＷＲ－ＳＸＲビーム相互作用を記述する適切なモデルが使用される限り、決定論的（例えば、ＣＤ、ＳＷＡ等）又は統計的（例えば、側壁粗さのｒｍｓ高さ、粗さ相関長さ等）であり得る。
【0129】
一般に、計算システム１３０は、Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｉｎｇ（ＲＴＣＤ）を利用して、モデルパラメータにリアルタイムでアクセスするように構成されているか、又は、標本１０１と関連する少なくとも１つの標本パラメータ値の値を決定するために予め計算されたモデルのライブラリにアクセスしてもよい。一般に、なんらかの形式のＣＤ－エンジンが使用されて、標本の割り当てられたＣＤパラメータと、測定された標本と関連するＣＤパラメータとの間の差を評価してもよい。標本パラメータ値を計算するための例示的な方法及びシステムが、ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐ．に２０１０年１１月２日に発行された米国特許第７，８２６，０７１号明細書に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0130】
いくつかの例では、モデル構築及び解析エンジン１８０は、フィードサイドウェイ解析、フィードフォワード解析、及びパラレル解析の任意の組み合わせによって測定されたパラメータの正確度を改善する。フィードサイドウェイ解析とは、同じ標本の異なる領域において多重データセットを取り込んで、第１のデータセットから決定された共通パラメータを解析のための第２データセットに渡すことを意味する。フィードフォワード解析とは、段階的コピーイグザクトパラメータフィードフォワード手法を用いて、異なる標本におけるデータセットを採取し、その後の解析に共通のパラメータを渡すことを指す。パラレル解析とは、少なくとも１つの共通パラメータが適合中に結合される多重データセットに対する非線形適合手法のパラレル又は同時適用を指す。
【0131】
多重ツール及び構造解析とは、回帰、ルックアップテーブル（すなわち、「ライブラリ」マッチング）、又は多重データセットの別の適合手順に基づくフィードフォワード、フィードサイドウェイ、又はパラレル解析を指す。多重ツール及び構造解析のための例示的な方法及びシステムが、ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ Ｃｏｒｐ．に対して２００９年１月１３日に発行された米国特許第７，４７８，０１９号明細書に記載されており、その内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0132】
更なる別の一態様では、関心の１つ又は複数のパラメータの初期推定値が、測定標的に対する入射ｘ線ビームの単一の向きで行われるＷＲ－ＳＸＲ測定に基づいて決定される。初期推定値は、多重の向きでＷＲ－ＳＸＲ測定から収集された測定データを用いて、測定モデルの回帰についての関心のパラメータの初期値として実装される。このように、関心のパラメータの厳密な推定が、比較的少ない計算量で決定され、そして、この厳密な推定をずっと大きいデータセットにわたる回帰の開始点として実装することによって、関心のパラメータの精密推定が、より少ない全体計算量で取得される。
【0133】
別の一態様では、計測ツール１００は、本明細書に記載されるようなビーム制御機能を実装するように構成された計算システム（例えば、計算システム１３０）を含む。図７に示された実施形態では、計算システム１３０は、入射照明ビーム１１４の強度、発散、スポットサイズ、偏光、スペクトル、及び配置等の照明特性のうちのいずれかを制御するように動作可能なビームコントローラとして構成されている。
【0134】
図７に示すように、計算システム１３０は、検出器１１９に通信可能に結合されている。計算システム１３０は、検出器１１９から測定データ１３５を受信するように構成されている。一例では、測定データ１３５は、標本の測定された応答（すなわち、回折次数の強度）の表示を含む。検出器１１９の表面において測定された応答の分布に基づいて、標本１０１上の照明ビーム１１４の入射の場所及び領域は、計算システム１３０によって決定される。一例では、パターン認識技術が、計算システム１３０によって適用されて、測定データ１３５に基づいて標本１０１上の照明ビーム１１４の入射の場所及び領域を決定する。いくつかの例では、計算システム１３０は、指令信号１３６をｘ線照明源１１０に通信して、所望の照明波長を選択する。いくつかの例では、計算システム１３０は、指令信号１３７をアクチュエータサブシステム１１５に通信して、所望のビーム方向を達成するようにｘ線放射を切り換える。いくつかの例では、計算システム１３０は、ビーム整形スリット１１２及び１１３に指令信号１３８及び１３９をそれぞれ通信し、該指令信号は、ビーム整形スリット１１２及び１１３にビームスポットサイズを変更させ、照明波長を選択させることにより、所望のビームスポットサイズ、方向、及び１つ又は複数の波長を有する入射照明ビーム１１４が標本１０１に到達する。一例では、指令信号１３８及び１３９は、スリット１１２及び１１３と関連するアクチュエータに位置を変更させることにより、入射ビーム１１４を所望の形状及びサイズに再整形して、所望の波長を選択する。いくつかの例では、計算システム１３０は、ビームエネルギフィルタ１５０に指令信号１５１を通信し、該指令信号は、ビームエネルギフィルタ１５０に照明ビーム１１４のスペクトルから望ましくない波長をフィルタで除く。いくつかの別の例では、計算システム１３０は、試料１０１を配置して指向させるために指令信号をウェーハ配置システム１４０に通信することにより、入射照明ビーム１１４が試料１０１に対して所望の場所及び角度方向に到達する。
【0135】
更なる一態様において、ＷＲ－ＳＸＲ測定データが使用されて、検出された回折次数の測定された強度に基づいて測定された構造の画像を生成する。いくつかの実施形態では、ＷＲ－ＳＸＲ応答関数モデルは、一般的な電子密度メッシュからの散乱を記述するために一般化される。モデル化された電子密度をこのメッシュ内に拘束して連続性及び疎なエッジを強化させながら、このモデルを測定された信号に合致させることは、試料の３次元画像を提供する。
【0136】
幾何学的なモデルベースのパラメトリック反転は、ＷＲ－ＳＸＲ測定に基づく臨界寸法（ＣＤ）計測に好適であるけれども、ＷＲ－ＳＸＲ測定データは、測定された標本が幾何学的モデルの仮定から逸脱したときに、モデル誤差を識別して修正するのに有用である。
【0137】
いくつかの例では、画像は、同じ光波散乱計測測定データの幾何学的でモデルベースのパラメトリック反転によって推定された構造特性と比較される。不一致が使用されて、測定された構造の幾何モデルを更新し、測定性能を向上させる。正確なパラメトリック測定モデルでの収束能は、集積回路を測定してそれらの製造プロセスを制御、監視、及び不具合対策する際に、特に重要である。
【0138】
いくつかの例では、画像は、電子密度、吸収率、複素屈折率、又はこれらの材料特性の組合せについての２次元（２－Ｄ）マップである。いくつかの例では、画像は、電子密度、吸収率、複素屈折率、又はこれらの材料特性の組合せの３次元（３－Ｄ）マップである。マップは、比較的少ない物理的制約条件を用いて生成される。いくつかの例では、臨界寸法（ＣＤ）、側壁角度（ＳＷＡ）、オーバーレイ、エッジ配置誤差、ピッチウォーク等の関心の１つ又は複数のパラメータが、結果として生じるマップから直接推定される。いくつかの別の例では、マップは、試料幾何学形状又は材料が、モデルベースのＣＤ測定に利用されるパラメトリック構造モデルによって予測される期待値の範囲外に逸脱したときに、ウェーハプロセスをデバッグするのに有用である。一例では、マップと、その測定されたパラメータに従ってパラメトリック構造モデルによって予測された構造の描写との間の差が、パラメトリック構造モデルを更新して、その測定性能を改善するために使用される。更なる詳細が、米国特許出願公開第２０１５／０３００９６５号明細書に記載されており、その内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。追加の詳細が、米国特許出願公開第２０１５／０１１７６１０号明細書に記載されており、その内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【0139】
更なる一態様では、モデル構築及び解析エンジン１８０は、結合されたｘ線及び光学的測定解析のためのモデルを生成するために使用される。いくつかの例では、光学シミュレーションは、例えば、異なる偏光に対する反射率、楕円偏光パラメータ、位相変化等の光信号を計算するためにマクスウェル方程式が解かれる厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）に基づいている。
【0140】
関心の１つ又は複数のパラメータの値が、複数の異なる入射角におけるｘ線回折次数の検出された強度と、結合された幾何学的にパラメータ化された応答モデルによって検出された光学強度との結合された適合解析に基づいて決定される。光学強度は、図１に示すシステム１００等のｘ線計測システムと機械的に結合されても又は結合されなくてもよい光学計測ツールによって測定される。更なる詳細が、米国特許出願公開第２０１４／００１９０９７号明細書及び米国特許出願公開第２０１３／０３０４４２４号明細書に記載されており、それぞれの内容が、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
【0141】
本開示を通じて記載された様々なステップが、単一のコンピュータシステム１３０、又はその代替として多重コンピュータシステム１３０によって実行されてもよいことが認識されるべきである。更に、標本配置システム１４０等のシステム１００の異なるサブシステムが、本明細書に記載されたステップの少なくとも一部を実行するのに適したコンピュータシステムを含んでもよい。そのため、上記説明は、本発明の限定としてではなく、単なる例示として解釈されるべきである。更に、１つ又は複数の計算システム１３０は、本明細書に記載された方法実施形態のうちのいずれかの別の１つ又は複数のステップを実行するように構成されてもよい。
【0142】
それに加えて、コンピュータシステム１３０は、ｘ線照明源１１０、ビーム整形スリット１１２及び１１３、集束光学アクチュエータシステム１１５、標本配置システム１４０、並びに検出器１１９に当技術分野で公知の任意の方法で通信可能に結合されてもよい。例えば、１つ又は複数の計算システム１３０は、ｘ線照明源１１０、ビーム整形スリット１１２及び１１３、集束光学アクチュエータシステム１１５、標本配置システム１４０、並びに検出器１１９と関連する計算システムにそれぞれ結合されてもよい。別の一例では、ｘ線照明源１１０、ビーム整形スリット１１２及び１１３、集束光学アクチュエータシステム１１５、標本配置システム１４０、並びに検出器１１９のうちのいずれかは、コンピュータシステム１３０に結合された単一のコンピュータシステムによって直接制御されてもよい。
【0143】
コンピュータシステム１３０は、有線及び／又は無線部分を含んでもよい伝送媒体によって、システム（例えば、ｘ線照明源１１０、ビーム整形スリット１１２及び１１３、集束光学アクチュエータシステム１１５、標本配置システム１４０、検出器１１９等）のサブシステムからデータ又は情報を受信する及び／又は取得するように構成されてもよい。このように、伝送媒体は、コンピュータシステム１３０と、システム１００の別のサブシステムとの間のデータリンクとして機能してもよい。
【0144】
計測システム１００のコンピュータシステム１３０は、有線及び／又は無線部分を含んでもよい伝送媒体によって、別のシステムからデータ又は情報（例えば、測定結果、モデリング入力、モデリング結果等）を受信する及び／又は取得するように構成されてもよい。このように、伝送媒体は、コンピュータシステム１３０と別のシステム（例えば、メモリオンボード計測システム１００、外部メモリ、又は外部システム）との間のデータリンクとして機能してもよい。例えば、計算システム１３０は、データリンクを介して記憶媒体（すなわち、メモリ１３２又は１９０）から測定データ（例えば、信号１３５）を受信するように構成されてもよい。例えば、検出器１１９を用いて取得されたスペクトル結果が、永久又は半永久記憶装置（例えば、メモリ１３２又は１９０）内に記憶されてもよい。この点に関して、測定結果は、オンボードメモリから、又は外部メモリシステムからインポートされてもよい。また、コンピュータシステム１３０は、伝送媒体を介して別のシステムにデータを送信してもよい。例えば、コンピュータシステム１３０によって決定された標本パラメータ値１８６は、永久的又は半永久的記憶装置（例えば、メモリ１９０）に記憶されてもよい。この点に関して、測定結果が、別のシステムに送られてもよい。
【0145】
計算システム１３０は、パーソナルコンピュータシステム、メインフレームコンピュータシステム、ワークステーション、イメージコンピュータ、パラレルプロセッサ、又は当該技術分野で既知の任意の別のデバイスを含んでもよいが、これらに限定されない。一般に、「計算システム」という用語は、記憶媒体からの命令を実行する１つ又は複数のプロセッサを有する任意のデバイスを包含するように広く規定されてもよい。
【0146】
本明細書に記載された方法等の方法を実施するプログラム命令１３４は、ワイヤ、ケーブル、又は無線伝送リンク等の伝送媒体を介して送信されてもよい。例えば、図１に示すように、メモリ１３２に記憶されたプログラム命令は、バス１３３を介してプロセッサ１３１に伝送される。プログラム命令１３４が、コンピュータ可読媒体（例えば、メモリ１３２）に記憶される。例示的なコンピュータ可読媒体が、読出し専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気若しくは光ディスク、又は磁気テープを含む。
【0147】
図１７は、本発明の計測システム１００、２００、３００、及び４００による実装に適した方法５００を示す。一態様では、方法５００のデータ処理ブロックは、計算システム１３０の１つ又は複数のプロセッサによって実行される予めプログラムされたアルゴリズムを介して実行されてもよいことが認識される。以下の説明は、計測システム１００、２００、３００、及び４００との関連で提示されているが、計測システム１００、２００、３００、及び４００の特定の構造的態様は、限定を表すものではなく、例示的なものとして解釈されるべきであることを認識されたい。
【0148】
ブロック５０１では、軟ｘ線放射量が、ｘ線照明源によって生成される。軟ｘ線放射は、１０電子ボルト乃至５，０００電子ボルトの光子エネルギ範囲内の多重照明波長を含む。軟ｘ線放射量は、ｘ線照明ビームが１乃至４５度の公称かすめ入射角で半導体ウェーハに入射するように、半導体ウェーハ上に作製された計測標的に誘導される。
【0149】
ブロック５０２において、入射ｘ線照明ビームに応じて、計測標的から多重の異なる回折次数へと散乱させられた第１の量のｘ線放射が検出される。
【0150】
ブロック５０３において、第１の複数の計測信号が生成される。第１の複数の測定信号のそれぞれは、第１の検出器の活性表面上の異なる場所において検出されたｘ線放射量を示す。第１の複数の測定信号は、また、多重の異なる回折次数のうちの別個の回折次数で回折された多重照明波長のうちの別個の波長を示す。
【0151】
ブロック５０４において、計測標的を特徴付ける関心のパラメータの値が、複数の測定信号に基づいて決定される。
【0152】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されたような光波散乱計測測定は、製造プロセスツールの一部として実施される。製造プロセスツールの例としては、リソグラフィ露光ツール、成膜ツール、インプラントツール、及びエッチングツールが挙げられるが、これらに限定されない。このように、ＷＲ－ＳＸＲ解析の結果が用いられて、製造プロセスを制御する。一例では、１つ又は複数の標的から収集されたＷＲ－ＳＸＲ測定データが、製造プロセスツールに送られる。ＷＲ－ＳＸＲ測定データは、本明細書に記載されたように解析され、結果が使用されて、半導体構造の製造における誤差を低減するために製造プロセスツールの動作を調整する。
【0153】
本明細書に記載されたような光波散乱計測測定が使用されて、様々な半導体構造の特性を決定してもよい。例示的な構造としては、ＦｉｎＦＥＴ、ナノワイヤ又はグラフェン等の低次元構造、サブ１０ｎｍ構造、リソグラフィ構造、ＤＲＡＭ、ＤＲＡＭ ４Ｆ２、ＦＬＡＳＨ、ＭＲＡＭ、及び高アスペクト比メモリ構造等の貫通基板ビア（ＴＳＶ）が挙げられるが、これらに限定されない。例示的な構造的特性としては、ラインエッジ粗さ、ライン幅粗さ、細孔サイズ、細孔密度、側壁角度、プロファイル、臨界寸法、ピッチ、厚さ、オーバーレイ等の幾何学的パラメータ、並びに電子密度、組成、粒子構造、形態、応力、ひずみ、及び元素同定等の材料パラメータが挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、計測標的は、周期性構造である。いくつかの別の実施形態では、計測標的は、非周期性である。
【0154】
いくつかの例では、臨界寸法、厚さ、オーバーレイ、及び高アスペクト比半導体構造の材料特性についての測定が、本明細書に記載されたようなＷＲ－ＳＸＲ測定システムによって実行され、該材料特性としては、スピン注入メモリ（ＳＴＴ－ＲＡＭ）、３次元ＮＡＮＤメモリ（３Ｄ－ＮＡＮＤ）若しくは垂直ＮＡＮＤメモリ（Ｖ－ＮＡＮＤ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、３次元ＦＬＡＳＨメモリ（３Ｄ－ＦＬＡＳＨ）、抵抗性ランダムアクセスメモリ（Ｒｅ－ＲＡＭ）、及び相変化ランダムアクセスメモリ（ＰＣ－ＲＡＭ）が挙げられるが、これらに限定されない。
【0155】
本明細書に記載されたように、「臨界寸法」という用語は、構造物の任意の臨界寸法（例えば、底部臨界寸法、中部臨界寸法、頂部臨界寸法、側壁角度、格子高さ等）、任意の２つ以上の構造間の臨界寸法（例えば、２つの構造間の距離）、及び２つ以上の構造間の変位（例えば、オーバーレイ格子構造間のオーバーレイ変位等）を含む。構造は、３次元構造、パターン化構造、オーバーレイ構造等を含んでもよい。
【0156】
本明細書に記載されたように、「臨界寸法アプリケーション」又は「臨界寸法測定アプリケーション」という用語は、任意の臨界寸法測定を含む。
【0157】
本明細書に記載されたように、「計測システム」という用語は、臨界寸法アプリケーション及びオーバーレイ計測アプリケーションを含む、任意の態様において標本を特徴付けるために少なくとも部分的に利用される任意のシステムを含む。しかしながら、かかる技術用語は、本明細書に記載されたような「計測システム」という用語の範囲を限定するものではない。更に、本明細書に記載された計測システムは、パターン化ウェーハ及び／又は非パターン化ウェーハについての測定のために構成されてもよい。計測システムは、ＬＥＤ検査ツール、エッジ検査ツール、裏面検査ツール、マクロ検査ツール、又はマルチモード検査ツール（同時に１つ又は複数のプラットフォームからのデータを含む）、及び本明細書に記載された測定技術から利益を得る任意の別の計測又は検査ツールとして構成されてもよい。
【0158】
標本を処理するために使用されてもよい半導体処理システム（例えば、検査システム又はリソグラフィシステム）のための様々な実施形態が本明細書において説明されている。「標本」という用語は、ウェーハ、レチクル、又は当該技術分野で公知の手段によって処理（例えば、印刷又は欠陥検査）されてもよい任意の別の試料を指すために本明細書において使用される。
【0159】
本明細書で使用されるように、「ウェーハ」という用語は、半導体又は非半導体材料から形成された基板を概して指す。例として、単結晶シリコン、ヒ化ガリウム、及びリン化インジウムが挙げられるが、これらに限定されない。かかる基板は、一般に、半導体製造設備において見られ及び／又は処理されてもよい。ある場合には、ウェーハは、基板（すなわち、ベアウェーハ）のみを含んでもよい。その代替として、ウェーハは、基板上に形成された異なる材料の１つ又は複数の層を含んでもよい。ウェーハ上に形成された１つ又は複数の層は、「パターン化される」か、又は「非パターン化され」てもよい。例えば、ウェーハは、反復可能なパターン特徴を有する複数のダイを含んでもよい。
【0160】
「レチクル」は、レチクル製造プロセスの任意の段階でのレチクル、又は半導体製造設備での使用のために解放されても又はされなくてもよい完成レチクルであってもよい。レチクル又は「マスク」は、一般に、実質的に不透明な領域が形成された、パターンに構成された実質的に透明な基板として定義される。基板は、例えば、アモルファスＳｉＯ２等のガラス材料を含んでもよい。レチクルがリソグラフィプロセスの露光ステップ中にレジスト被覆ウェーハ上方に配設されることにより、レチクル上のパターンがレジストに転写されてもよい。
【0161】
ウェーハ上に形成された１つ又は複数の層は、パターン化されてもよく、又はパターン化されなくてもよい。例えば、ウェーハは、複数のダイを含んでもよく、そのそれぞれが反復性パターン特徴を有する。かかる材料層の形成及び処理が、最終的に完成デバイスをもたらしてもよい。多くの異なるタイプのデバイスが、ウェーハ上に形成されてもよく、本明細書で使用されるようなウェーハという用語は、当該技術分野で公知の任意のタイプのデバイスがその上に製造されているウェーハを包含することが意図されている。
【0162】
１つ又は複数の例示的な実施形態では、記載された機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの任意の組合せで実施されてもよい。ソフトウェアに実装された場合、機能は、１つ又は複数の命令又はコードとして、コンピュータ可読媒体上に記憶されるか、又はそれを介して伝送されてもよい。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体と、１つの場所から別の場所へのコンピュータプログラムの転送を容易にする任意の媒体を含む通信媒体との両方を含む。記憶媒体は、汎用又は専用コンピュータによってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であってもよい。例として、そして限定的ではなく、かかるコンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ若しくは別の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置若しくは別の磁気記憶装置、或いは、所望のプログラムコード手段を命令又はデータ構造の形式で搬送又は記憶するために使用され得、汎用若しくは専用コンピュータ、又は汎用若しくは専用プロセッサによってアクセスされ得る任意の別の媒体を含み得る。また、任意の接続が、コンピュータ可読媒体と適切に呼ばれる。例えば、ソフトウェアが、ウェブサイト、サーバ、又は同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、デジタル加入者線（ＤＳＬ）若しくは赤外線、無線、マイクロ波等の無線技術を使用する別の遠隔源から送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、又は赤外線、無線、マイクロ波等の無線技術が、媒体の定義に含まれる。本明細書で使用されるようなディスク及びディスクは、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザディスク、ＸＲＦディスク、デジタル汎用ディスク（ＤＶＤ）、フロッピー（登録商標）ディスク、及びブルーレイ（登録商標）ディスクを含み、この場合、ディスク（ｄｉｓｋ）は、通常、データを磁気的に再生し、一方、ディスク（ｄｉｓｃ）は、レーザと光学的にデータを再生する。上記の組合せもまた、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。
【0163】
ある特定の実施形態が、説明のために上記されたが、この特許文献の教示は、普遍的な適用性を有し、上記の特定の実施形態に限定されるものではない。従って、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、記載された実施形態の様々な特徴の様々な修正、適応、及び組合せが実施され得る。
【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】
【図16A】
【図16B】
【図17】
【国際調査報告】