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TW202314237A - 針對深度解析度量衡及分析使用ｘ射線之系統及方法 - Google Patents

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TW202314237A
TW202314237A TW110142109A TW110142109A TW202314237A TW 202314237 A TW202314237 A TW 202314237A TW 110142109 A TW110142109 A TW 110142109A TW 110142109 A TW110142109 A TW 110142109A TW 202314237 A TW202314237 A TW 202314237A
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rays
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文兵 雲
班傑明 唐納 史翠普
佳諾斯 科爾茲
希爾維亞 賈 雲 黎維斯
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美商斯格瑞公司
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Abstract

本發明揭示一種用於分析一樣本之一三維結構之系統及方法，其包含：產生一第一X射線光束，其在半峰全寬處具有小於20 eV之一第一能量頻寬及在比一第一所關注原子元素之一吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之一範圍中的一第一平均X射線能量且經準直以在垂直於該第一X射線光束之一傳播方向的至少一個方向上具有小於7 mrad之一準直角範圍；使用該第一X射線光束以相對於該樣本之一實質上平坦表面之複數個入射角輻照該樣本，該複數個入射角之該等入射角在3 mrad至400 mrad之一範圍中；及同時偵測來自該樣本之該第一X射線光束之一反射部分且偵測來自該樣本之X射線螢光X射線及/或光電子。

Description

針對深度解析度量衡及分析使用X射線之系統及方法
本申請案大體上係關於用於使用X射線反射量測、X射線螢光及/或X射線光電發射光譜法分析樣本之系統及方法。
對按比例調整之實體限制自然地驅動半導體行業朝向3D架構，該等3D架構通常包含包括大量材料之具有奈米厚度之多堆疊層。實例包含環繞式閘極(GAA)場效電晶體、3D NAND記憶體裝置及磁阻隨機存取記憶體。製造此等裝置涉及許多處理步驟，包含薄膜及膜堆疊沈積、摻雜、蝕刻及化學機械拋光。
所製造裝置之尺寸及/或材料度量衡在搜尋及開發兩者期間使用且用於檢測(例如，用於確保所製造裝置在可接受參數或程序窗內之許多程序步驟之間之程序監測)。典型所關注參數包含膜結構尺寸(例如，膜厚度)、(若干)元素或(若干)特定材料之分佈、摻雜劑濃度、元素組合物、化學物種形成及其他參數。針對3D架構，2 nm或更佳之深度解析度(例如，法向於一晶圓之表面之空間解析度)可係可期望的。
新穎3D半導體架構之一個新興實例係包含奈米片及奈米線之環繞式閘極(GAA)裝置。製造期間之程序監測及度量衡所期望之資訊包含：初始超晶格之結構資訊(例如，Si奈米片及SiGe層之厚度)、犧牲奈米片層在移除之後之殘餘物、氧化矽形成及與閘極介電層相關之參數。與閘極介電層相關之參數包含各奈米片周圍之深度方向介電厚度、奈米片之頂部與底部處之介電質之厚度之間之差之變動、介電質之各層處之摻雜劑(用於調諧功函數)之變動及摻雜劑擴散。
3D架構對用於度量衡及檢測之習知方法提出挑戰。使用入射X射線之特性化技術提供獨有優點，此係因為其等不需要破壞性樣本製備且可提供穿透以偵測表面下方之結構。X射線反射率(XRR)係用於以亞奈米解析度特性化表面及介面(包含其等粗糙度及埋藏層之擴散度以及單層及多層堆疊之厚度)之一有用技術。
XRR曲線主要由沿著樣本之表面法線之電子密度分佈判定且缺乏元素及材料特異性。藉由XRR自身之結構判定係一病態反問題，此係因為歸因於各種因素(諸如在一些應用中，由處理能力要求限制之短資料收集時間)，尤其針對具有低信雜比之XRR，不同材料組合物及質量密度可導致相同XRR曲線。
在本文中揭示之一個態樣中，提供一種用於分析一樣本之一三維結構之方法。該方法包括產生一第一X射線光束，該第一X射線光束在半峰全寬處具有小於20 eV之一第一能量頻寬及在比一第一所關注原子元素之一第一吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之一範圍(例如，1 eV至5 eV之一範圍)中之一第一平均X射線能量。該第一X射線光束經準直以在垂直於該第一X射線光束之一第一傳播方向的至少一個方向上具有小於7 mrad之一第一準直角範圍。該方法進一步包括使用該第一X射線光束以相對於該樣本之一實質上平坦表面之複數個入射角輻照該樣本。該複數個入射角之該等入射角在3 mrad至400 mrad之一範圍中。該方法進一步包括同時偵測來自該樣本之該第一X射線光束之一反射部分且偵測來自該樣本之X射線螢光X射線及/或光電子。
在本文中揭示之另一態樣中，提供一種用於分析包括實質上平行介面之一分層結構之方法。該方法包括使用一入射X射線光束以相對於該等實質上平行介面在3 mrad至400 mrad之一範圍中的一或多個入射角輻照該分層結構。該入射X射線光束在半峰全寬處具有小於20 eV之一能量頻寬及在比一所關注原子元素之一吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之一範圍(例如，1 eV至5 eV之一範圍)中之一平均X射線能量。該入射X射線光束具有足夠相干性以透過該入射X射線光束與藉由該分層結構之該等實質上平行介面反射之入射X射線光束之X射線之相長干涉及相消干涉產生該分層結構內部之X射線強度調變。該方法進一步包括同時偵測藉由該等實質上平行介面反射之至少一些該等X射線且偵測來自該分層結構之X射線螢光X射線及/或光電子。
在本文中揭示之另一態樣中，提供一種用於分析一樣本之一三維結構之系統。該系統包括至少一個X射線源，該至少一個X射線源經組態以產生在半峰全寬處具有小於20 eV之一能量頻寬及在比一所關注原子元素之一吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之一範圍中的一平均X射線能量之至少一個X射線光束。該至少一個X射線光束經準直以在垂直於該至少一個X射線光束之一傳播方向的至少一個方向上具有小於7 mrad之一準直角範圍。該至少一個X射線源進一步經組態以引導該至少一個X射線光束以相對於該樣本之一實質上平坦表面之複數個入射角輻照該樣本。該複數個入射角之該等入射角在3 mrad至400 mrad之一範圍中。該系統進一步包括經組態以偵測來自該樣本之該至少一個X射線光束之一反射部分之至少一個第一偵測器。該系統進一步包括至少一個第二偵測器，該至少一個第二偵測器經組態以與該至少一個第一偵測器偵測該至少一個X射線光束之該反射部分同時偵測來自該樣本之X射線螢光X射線及/或光電子。
優先權主張
本申請案主張2020年9月17日申請之美國臨時申請案第63/079,940號之優先權之權利，該案之全文以引用的方式併入本文中。
先前已揭示為了添加元素特異性，收集一X射線光電子光譜(XPS)及一X射線螢光信號(XRF)連同XRR以獲得(若干)元素及(若干)材料資訊(例如，參見Wu等人之美國專利第10,151,713號)。然而，此等先前系統具有尚未充分解決之各種限制。例如，XPS光電子之非彈性平均自由路徑(IMFP)通常獨立於經分析材料，依據光電子之動能 E(例如，針對大於100 eV之 E，經驗上與 E 0.78成比例)而變化，且通常小於10 nm。在光電子自其等生產點傳播至物件之表面時，IMFP導致光電子之實質衰減且因此導致來自定位成距表面深於10 nm之(若干)所關注元素之光電子之不良信號。XRF可提供元素特異性而無由XPS經歷之實質衰減，但先前技術使用具有太低而無法激發許多重要元素之XRF之能量之入射X射線(例如，Wu等人使用1.5 keV X射線之一Al X射線源)。多個能量激發可用於在樣本中產生具有不同選定能量及不同選定IMFP及/或折射率之光電子以便視需要調諧光電子IMFP、光電子發射角及/或折射率。
針對另一例示性限制，先前技術之XRF信號歸因於其等小數量(例如，摻雜劑，閘極介電質(諸如HfO 2)、單數位nm厚層及蝕刻殘餘物)而對於半導體前端裝置製造中之許多(若干)元素通常係弱的。再者，此等小數量定位於一小分析區域/體積中，從而進一步減少信號。由於低XRF信號，故使用如本文中描述之具有多個X射線產生材料之X射線源，入射X射線能量可經選擇且用於選擇(若干)所關注元素之特性螢光X射線，此係因為XRF信號產生效率高度取決於激發X射線能量且當X射線能量稍微高於元素之一吸收邊緣時經最大化(例如，特性X射線產生效率隨著激發X射線能量減去吸收邊緣能量之值之立方而減小)。另外，來自基板材料之XRF信號可導致大背景貢獻，此可遮擋來自具有小於基板之特性X射線能量之元素之XRF信號，例如，強Si基板信號可降低作為所關注元素之Hf及La之M線之信雜比(SNR)。藉由使用如本文中描述之具有多個X射線產生材料之X射線源選擇入射X射線能量以小於Si K吸收邊緣能量(例如，SiC)可用於提供此等線之經改良SNR。
針對另一例示性限制，可藉由以許多小角步長(例如，在一合理地寬角範圍內)獲取資料而執行標準XRR量測(單獨或與諸如XPS及/或XRF之其他技術組合)。此等XRR量測利用長資料收集時間以獲得可接受資料品質，且因此可太緩慢而無法滿足半導體裝置製造之所要程序監測速度。
此等限制尚未藉由先前XRR技術充分解決，該等先前XRR技術係在相對於樣本表面之非常低入射角下執行且因此，未將入射X射線光束聚焦至一半導體測試圖案(例如，在自40微米乘40微米至40微米乘300微米之範圍內)上。另外，先前XRR技術利用一濾波器及/或單色X射線光學器件(例如，多層或單晶體)以單色化XRR之入射X射線，此減少來自實驗室X射線源之通量。
圖1示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之用於來自一待分析樣本20之XRR及XRF及/或XPS之一例示性系統10。系統10可經組態用於執行如本文中描述之樣本20之至少一部分之度量衡及/或檢測之方法。例如，樣本20可包括一基板22 (例如，矽晶圓)及在樣本20之一實質上平坦表面26上之複數個分層材料結構24 (例如，奈米片電晶體)。在某些實施方案中，XRR發散可係小於10 mrad、小於5 mrad及/或小於3 mrad，且針對一給定所關注原子元素(例如，待在樣本20之部分內偵測之一原子元素)，深度方向量測靈敏度可係0.1 nm或更小。
在某些實施方案中，例示性系統10包括經組態以產生一第一X射線光束32之一X射線源30。第一X射線光束32在半峰全寬處具有小於20 eV之一第一能量頻寬及在比一第一所關注原子元素(例如，待在經分析樣本20之一部分內偵測之一原子元素)之一第一吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之一範圍(例如，1 eV至5 eV之一範圍)中之一第一平均X射線能量。第一X射線光束32經準直以在垂直於第一X射線光束32之一第一傳播方向的至少一個方向上具有小於7 mrad之一第一準直角範圍。X射線源30經組態以使用第一X射線光束32以相對於表面26之複數個入射角34輻照分層材料結構24，複數個入射角之入射角在3 mrad至400 mrad之一範圍中。例如，X射線源30及/或樣本20之至少一部分可安裝於至少一個載物台(未展示)上，該至少一個載物台經組態以相對於表面26精確地調整且設定第一X射線光束32之入射角34。例如，至少一個載物台可包括經組態以依一預定掠入射角或在入射角之一預定角範圍內將X射線光束引導至一平面表面上之一分層材料結構上之一機電系統。
在某些實施方案中，圖1之例示性系統10進一步包括經組態以偵測(例如，量測)來自樣本20之第一X射線光束32之一反射部分36之至少一個第一X射線偵測器40及經組態以與至少一個第一X射線偵測器40偵測第一X射線光束32之反射部分36同時偵測(例如，量測)來自樣本20之X射線螢光(XRF) X射線52及/或光電子54之至少一個能量解析第二偵測器50。
在某些實施方案中，如藉由圖1示意性地繪示，X射線源30包括經組態以產生X射線62之至少一個X射線產生器60及經組態以接收至少一些X射線62且產生包括至少一些經接收X射線62之第一X射線光束32之至少一個X射線光學子系統70。
圖2示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之一例示性X射線產生器60。X射線產生器60可包括至少一個X射線目標64，該至少一個X射線目標64包括一導熱基板65 (例如，銅；金剛石)及在基板65之一表面之至少一部分上或嵌入基板65之一表面之至少一部分中之至少一個結構66，該至少一個結構66包括與基板65熱連通之至少一個導熱材料67 (例如，金剛石)及在至少一個導熱材料67上之至少一個X射線產生材料68 (例如，呈沈積至導熱材料67上之一薄膜之形式)。基板65可與至少一個散熱結構(例如，熱管；液體冷卻劑；具有高導熱率之另一材料)熱連通。至少一個X射線產生材料68經組態以回應於藉由至少一個電子束(未展示)之轟擊而產生X射線62。
X射線62可包含具有在一低能量範圍中(例如，低於5.4 keV；低於3 keV；在0.1 keV至50 keV之一範圍中；在0.2 keV至5.5 keV之一範圍中；在0.5 keV至5.5 keV之一範圍中)之至少一個X射線產生材料(例如，一特性X射線發射線)之一特性X射線能量之X射線。例如，至少一個X射線產生材料68可包括經組態以產生具有一低能量K特性線能量、一低能量L特性線能量及/或一低能量M特性線能量之X射線62之至少一個原子元素。至少一個原子元素之實例包含(但不限於)矽、鎂、鋁、碳(例如，呈碳化矽或SiC之形式)、氮(例如，呈TiN之形式)、氟(例如，呈MgF 2之形式)、氧(例如，呈Al 2O 3之形式)、鈣(例如，呈CaF 2之形式)、鈦(例如，約0.5 keV之K特性線能量)、銠(例如，2.7 keV之L特性線能量)、鎢(例如，1.8 keV之M特性線能量)之實質上純或合金或化合物形式。至少一個原子元素之其他實例包含(但不限於)：MgO、SrB 6、CaB 6、CaO、HfO 2、LaB 6、GeN及其他硼化物、氮化物、氧化物及氟化物化合物。在某些實施方案中，藉由X射線產生器60產生之X射線62之至少50% (例如，至少70%；至少85%)具有在一窄能帶中(例如，具有小於4 eV之一輻照線寬度)處於特性X射線發射線能量下之能量。
在某些實施方案中，X射線產生器60包括複數個結構66，各結構包括經組態以產生具有不同X射線光譜及不同特性X射線發射線之X射線62之一不同X射線產生材料68。例如，不同結構66可彼此分離但與一共同基板65熱連通，使得一電子束可一次僅轟擊一個結構66以一次產生一單一X射線光譜。在某些實施方案中，結構66可包括多個X射線產生材料68 (例如，在SiC層之頂部上之MgF層)且層厚度可經組態使得入射電子束可同時產生多個不同X射線光譜。複數個結構66可包括X射線產生材料68，該等X射線產生材料68可具有預定導熱率及熔融溫度且可經組態以產生特性X射線(例如，來自BeO、C、B 4C、TiB 2、Ti 3N 4、MgO、SiC、Si、MgF、Mg、Al、Al 2O 3、Ti、V、Cr之Kα特性線；來自Sr、Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag及其等具有大於攝氏1000度之熔融溫度之化合物之Lα特性線；來自Hf、Ta、W、Ir、Os、Pt、Au、W及其等具有大於攝氏1000度之熔融溫度之化合物之Mα特性線)。在某些實施方案中，X射線產生材料68經選擇以產生具有大於經分析樣本20之一原子元素之一吸收邊緣能量之能量之X射線。由於一原子元素之X射線螢光橫截面在激發X射線能量稍微高於原子元素之吸收邊緣能量時最大，故選擇第一X射線光束32之平均X射線能量以最佳化XRF X射線52之生產效率可係有用的。
表1列出與本文中描述之某些實施方案相容之一些例示性X射線產生材料68及特性X射線線。 表1：
X 射線產生材料 特性 X 射線線
Be 在108.5 eV下具有小於0.5 eV之線寬之Be Kα 1,2
石墨 在277 eV下具有小於0.5 eV之線寬之C Kα 1,2
Al 2O 3 在525 eV下具有小於1 eV之線寬之O Kα
Mg 在1253.3 eV下具有0.85 eV之線寬之Mg Kα 1,2
Al或Al 2O 3 在1486.6 eV下具有小於1 eV之線寬之Al Kα 1,2
SiC 在1740 eV下具有約1 eV之線寬之Si Kα 1,2
Mo 在約2293 eV下具有小於1 eV之線寬之Mo Lα 1
Rh 在約2697 eV下具有大於1 eV之線寬之Rh Lα
Ti 在4511 eV下具有大於1 eV之線寬之Ti Kα 1
Cr 在5415 eV下具有大於1 eV之線寬之Cr Kα 1
Cu 在8048 eV下具有大於1 eV之線寬之Cu Kα 1
針對某些此等X射線產生材料68 (例如，SiC；Mo；Rh；Ti；Cr；Cu)，X射線光學子系統70可包括一濾波器/單色器。
在其中至少一個X射線產生材料68包括一標稱上電絕緣材料(例如，MgF)之某些實施方案中，至少一個X射線產生材料68具有一充分小厚度(例如，小於10微米；小於2微米)使得材料將電子傳導至底層基板。在其中至少一個X射線產生材料68包括一標稱上電絕緣材料之某些其他實施方案中，至少一個結構66進一步包括經組態以抑制至少一個X射線產生材料68之充電之一導電導管。例如，至少一個結構66可包括在一導電且導熱材料67上之X射線產生材料68之一層(例如，1微米至10微米厚)。藉由美國專利第10,658,145號揭示與本文中描述之某些實施方案相容之各種X射線產生器60及X射線目標64，該專利之全文以引用的方式併入本文中。
圖3A示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之接收藉由一例示性X射線產生器60產生之X射線62之一例示性X射線光學子系統70 (例如，一X射線光學系列)。圖3A之X射線光學子系統70包括經組態以接收至少一些X射線62且產生包括至少一些經接收X射線62 (例如，來自X射線產生器60之特性X射線線之至少一者之X射線通量之至少85%)之第一X射線光束32之複數個X射線光學元件72。例如，複數個X射線光學元件72可包括至少一個軸向對稱毛細管之部分，各部分具有經組態以反射至少一些X射線62之至少一個二次曲面(例如，拋物面、橢球面、雙曲面)反射表面74。在某些其他實施方案中，X射線光學元件72之至少一者非軸向對稱及/或包括一彎曲晶體或一多層鏡。複數個X射線光學元件72可包括經組態以增加X射線光學元件72之X射線反射率或臨界角之X射線反射塗層。在某些實施方案中，X射線光學子系統70進一步包括X射線光學子系統70之組件安裝於其上之可控制地調整之載物台(例如，支撐件)，載物台經組態以將X射線光學子系統70之組件彼此對準且與X射線產生器60對準。
在某些實施方案中，複數個X射線光學元件72具有多於一個二次曲面反射表面74 (例如，沃爾特(Wolter)型光學器件)。在某些實施方案中，複數個X射線光學元件72之反射表面塗佈有至少一個高原子序數元素之一薄層(例如，1 nm至10 nm之厚度)以增加X射線光學元件72之臨界角且提供一大立體接受角。在某些其他實施方案中，複數個X射線光學元件72之反射表面74塗佈有用於降低入射X射線62之多色性(例如，減小所得第一X射線光束32之能量頻寬)之一多層塗層。
在圖3A之例示性X射線光學子系統70中，複數個X射線光學元件72包括：一第一X射線光學元件72a，其包括具有反射表面74a、74b之一準直沃爾特I型鏡；及一第二X射線光學元件72b，其包括具有反射表面74c、74d之一聚焦沃爾特I型鏡。在某些其他實施方案中，第一X射線光學元件72a包括經組態以準直自X射線產生器60接收之至少一些X射線62之一拋物面反射表面74且第二X射線光學元件72b包括經組態以聚焦自第一X射線光學元件72a接收之至少一些經準直X射線62之一拋物面反射表面74。在某些實施方案中，X射線光學子系統70進一步包括經組態以阻擋將以其他方式行進通過X射線光學子系統70而不自複數個X射線光學元件72反射之X射線62之一光束光闌76。
在某些實施方案中，X射線光學子系統70進一步包括經組態以藉由限制入射於樣本20上之第一X射線光束32之發散而在至少一個方向上準直來自複數個X射線光學元件72之經聚焦X射線62之至少一個孔隙77 (例如，光束狹縫；針孔)。圖3B示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之在圖3A之第二X射線光學元件72b之一出口端處之一例示性孔隙77。在某些實施方案中，至少一個孔隙77在至少一個方向上提供角準直，使得第一X射線光束32在反射方向上呈現為一平面波。孔隙77之角準直可藉由以下公式判定： ∆ θ＜ λ/(2 d)/5 其中∆θ係角準直，λ係入射至孔隙77之X射線62之波長，且 d係藉由入射及反射X射線波產生之干涉圖案之週期。在某些實施方案中，至少一個孔隙77之角準直小於5 mrad。在某些實施方案中，至少一個孔隙77由至少兩個X射線不透明元件78界定，該至少兩個X射線不透明元件經組態以阻擋至少一些X射線62且(例如，藉由馬達)相對於彼此可調整地移動使得可控制地調整至少一些X射線62可透過其傳播至樣本20之至少一個孔隙77之大小(例如，寬度)。至少一個孔隙77之大小可依據待分析樣本20之特徵之大小(例如，沿著反射維度)而變化。
至少一個孔隙77可在X射線光學元件70之上游或下游或可介於複數個X射線光學元件72之X射線光學元件72之間。例如，針對包括兩個拋物面反射表面之複數個X射線光學元件72，至少一個孔隙77可放置於兩個拋物面反射表面之間。例如，如藉由圖3A示意性地繪示，至少一個孔隙77可在複數個X射線光學元件72之下游。至少一個孔隙77可用於限制第一X射線光束32在樣本20之分層結構之表面上之大小及/或角範圍且施加一預定量之空間相干性以在樣本20之分層結構之表面處形成駐波。
在某些實施方案中，樣本20上之第一X射線光束32之大小(例如，佔據面積) F可表達為： F= s/ sin(α) 其中 s係沿著切向(例如，反射)方向之光束大小且α係第一X射線光束32相對於表面26之入射角34。在某些實施方案中，孔隙77 (例如，在複數個X射線光學元件72之出口端附近)之大小 L經定義使得： s/ sin(α) ＜ L例如，針對 L= 300微米及α = 41 mrad (例如，Pt塗佈玻璃上之1.74 keV)之入射角，界定第一X射線光束32在一個維度上之大小之孔隙77可等於12.3微米。使用孔隙77與複數個X射線光學元件72 (其產生一20微米直徑光點)將透射原本將被遞送至樣本20之入射於孔隙77上之X射線通量之約60% (另一維度未減少)。應注意，針對在8 keV下之一駐波，孔隙77將太小(或特徵將太大)而無法具有實用價值，如表2中展示。 表2：
X 射線能量 臨界角 特徵大小 孔隙寬度
1.74 keV 41 mrad 300微米 12.3微米
8 keV 8.9 mrad 300微米 2.7微米
在某些實施方案中，孔隙77之大小可經顯著增大以將足夠X射線通量透射至樣本20。在某些實施方案中，特徵大小在長度上為500微米而非如上文描述之300微米，且孔隙77之寬度可進一步加寬。
在某些實施方案中，X射線光學子系統70進一步包括經組態以單色化第一X射線光束32之X射線之一濾波器及/或單色器。可使用熟習此項技術者已知之任何X射線單色器，X射線單色器之實例包含(但不限於)通道切割晶體、平面晶體(例如，Si(111))及合成多層。在某些實施方案中，單色器介於第一X射線光學元件72a (例如，一準直第一拋物面鏡)與第二X射線光學元件72b (例如，一聚焦第二拋物面鏡)之間使得第一X射線光學元件72a準直來自X射線產生器之至少一些X射線62 (例如，入射於一雙或四反彈晶體上之X射線62)且第二X射線光學元件72b聚焦來自第一X射線光學元件72a之至少一些X射線62 (例如，至小於40微米之一光點大小(FWHM))。在某些實施方案中，單色器包括X射線光學子系統70之至少一個內表面上之至少一個多層塗層。在其中藉由X射線產生器60產生之X射線62充分單色以在分層材料結構內形成駐波X射線波之某些實施方案中(例如，在其中X射線產生材料包括Mg、Al及/或Si之一些實施方案中)，X射線光學子系統70可排除具有一多層或晶體單色器。
在某些實施方案中，歸因於光譜干涉及/或偵測器雜訊貢獻(例如，不完整電荷收集)，入射第一X射線光束32之平均X射線能量可經選擇以減小(例如，抑制)對經分析樣本20之原子元素之經偵測特性XRF X射線52之X射線背景貢獻。能量色散偵測器(例如，SDD)具有一有限能量解析度(例如，約125 eV用於偵測5.9 keV之X射線)，且所關注原子元素之特性X射線與樣本20之分層材料結構24中之一主要原子元素之特性X射線之光譜干涉(例如，重疊)可使所關注原子元素之偵測及量化困難，從而導致長資料擷取時間。例如，針對三個Si奈米片電晶體之一堆疊，Si係一主要原子元素，且特性Si K線之能量係約1.74 keV。HfO 2係一廣泛使用之閘極介電材料且Hf之特性M線能量係約1.64 keV，其與特性Si Kα線能量相差約100 eV。在某些實施方案中，使用Si Ka X射線作為第一X射線光束32，將不在樣本20中產生Si Kα特性XRF X射線52。
在某些實施方案中，至少一個第一X射線偵測器40係選自由以下項組成之群組：一比例計數器、一矽漂移偵測器、一直接偵測X射線電荷耦合裝置(CCD)及一像素陣列光子計數偵測器。在某些實施方案中，至少一個能量解析第二偵測器50包括選自由以下項組成之群組之一X射線偵測器：一矽漂移偵測器(SDD)、一比例偵測器、一電離腔室、一波長色散偵測系統或對於量測XRF可相容之任何其他能量解析X射線偵測器。
在某些實施方案中，至少一個能量解析第二偵測器50包括一能量解析光電子偵測器。例如，能量解析光電子偵測器可包括一角度解析半球形XPS電子能量分析器，該角度解析半球形XPS電子能量分析器具有約一度之一角解析度且利用一電子投影透鏡柱以平行收集角度解析資料以接受沿著非色散方向至多60至80度之一角範圍。與本文中描述之某些實施方案相容之其他例示性能量解析光電子偵測器包含(但不限於)阻滯場分析器、柱面鏡分析器及飛行時間分析器。在某些實施方案中，角度解析XPS量測可自大樣本獲取，諸如可太大而無法以所要掠入射角定位在一XPS光譜儀內之完整半導體晶圓。能量解析光電子偵測器相對於樣本之位置在整個角範圍可保持固定，且由入射X射線輻照之樣本之部分可在輻照期間保持恆定。雖然X射線光點大小之佔據面積隨著掠入射角減小而增加(例如，在樣本相對於入射X射線光束旋轉之後)，但在某些實施方案中，使用源定義小區域分析及平行收集之一組合，分析區域可實質上獨立於掠入射角。
在某些實施方案中，至少一個第一X射線偵測器40及/或至少一個能量解析第二偵測器50包括在偵測器之一輸入處之一或多個孔隙(例如，光束狹縫；針孔)。 例示性方法
圖4A係根據本文中描述之某些實施方案之用於分析一樣本20之一三維結構(例如，特性化空間結構及材料組合物；使用單能X射線度量衡)之一例示性方法100之一流程圖。在一操作方塊110中，方法100包括產生一第一X射線光束32，該第一X射線光束在半峰全寬處具有小於20 eV之一第一能量頻寬及在比一第一所關注原子元素之一第一吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之一範圍(例如，1 eV至5 eV之一範圍)中之一第一平均X射線能量。第一X射線光束32經準直以在垂直於第一X射線光束32之一第一傳播方向的至少一個方向上具有小於7 mrad (例如，小於4 mrad；小於1 mrad)之一第一準直角範圍。
在某些實施方案中，第一所關注原子元素之第一吸收邊緣能量(例如，0.1 keV至5.4 keV)小於經分析樣本20之部分之一主要原子元素(例如，構成樣本20之部分之原子之至少20%)之一吸收邊緣能量。例如，針對包括一矽基板之一樣本20，第一所關注原子元素之第一吸收邊緣能量小於1.84 keV。在某些實施方案中，輻照樣本20之第一X射線光束32之X射線之至少50%具有比第一所關注原子元素之第一吸收邊緣能量高大於100 ev之X射線能量。在某些實施方案中，使用包括一單色器及/或濾波器之一X射線光學子系統獲得X射線能量頻寬且產生第一X射線光束32包括對X射線62濾波以具有第一能量頻寬。
在某些實施方案中，第一X射線光束32在包括第一傳播方向及垂直於表面26之一方向的一反射平面(例如，一散射平面)中照射樣本20，且第一X射線光束32具有在反射平面(例如，含有第一X射線光束32及表面26之表面法線)中之一準直角(例如，一準直角範圍)及在正交於反射平面的一平面中(例如，在一矢狀平面中)在一會聚方向上之一會聚角(例如，一會聚角範圍)，準直角小於會聚角。
在一操作方塊120中，方法100進一步包括使用第一X射線光束32以相對於樣本20之一實質上平坦表面26在3 mrad至400 mrad之一範圍中的複數個入射角34輻照樣本20。例如，第一X射線光束32可以在5 mrad與25 mrad之間之一掠入射角(例如，在樣本20之表面26與第一X射線光束32之間之一角度)輻照樣本20之一實質上平坦區域。
在一操作方塊130中，方法100進一步包括同時偵測來自樣本20之第一X射線光束32之一反射部分36 (例如，XRR資料)且偵測來自樣本20之X射線螢光X射線52 (例如，XRF資料)及/或光電子54 (例如，XPS資料)。在某些實施方案中，方法100進一步包括(例如，在一操作方塊132中)一起分析經偵測XRR資料(例如，第一XRR資料)及XRF資料以獲得關於樣本20之結構及材料資訊。例如，當在樣本20已經歷至少一個處理程序之後執行使用第一X射線光束32輻照樣本20且同時偵測第一X射線光束32之反射部分36且偵測XRF X射線52及/或光電子54時，方法100可進一步包括在樣本20經歷至少一個處理程序之前藉由至少分析經偵測第一反射部分36、經偵測XRF X射線52及/或經偵測光電子54而獲得關於樣本20之一第一組空間及/或組合物資訊及比較關於樣本20之經獲得第一組空間及/或組合物資訊與關於樣本20之一第二組空間及/或組合物資訊。圖5A係根據本文中描述之某些實施方案之包含圖4A之例示性方法100之態樣(例如，操作方塊110、120、130及132之實例)之另一例示性方法100之一流程圖。
圖4B係根據本文中描述之某些實施方案之用於分析一樣本20之一三維結構(例如，特性化空間結構及材料組合物；使用雙能X射線度量衡)之另一例示性方法100之一流程圖。除圖4A之操作方塊110、120、130之外，圖4B之方法100進一步包括在一操作方塊140中，產生一第二X射線光束，該第二X射線光束在半峰全寬處具有小於20 eV之一第二能量頻寬及在比第一所關注原子元素之第一吸收邊緣能量低1 eV至1 keV之一範圍(例如，1 eV至5 eV之一範圍)中之一第二平均X射線能量。第二X射線光束經準直以在垂直於第二X射線光束之一第二傳播方向的至少一個方向上具有小於7 mrad之一第二準直角範圍(例如，小於4 mrad；小於1 mrad)。圖4B之方法100進一步包括在一操作方塊150中，使用第二X射線光束輻照樣本20及在一操作方塊160中，偵測來自樣本20之第二X射線光束之一第二反射部分(例如，第二XRR資料)。在某些實施方案中，圖4B之方法100進一步包括(例如，在一操作方塊162中)藉由分析經偵測第二反射部分(例如，第二XRR資料)與經偵測第一反射部分(例如，第一XRR資料)、經偵測X射線螢光X射線(例如，XRF資料)及/或經偵測光電子(例如，XPS資料)而獲得關於樣本20之空間及組合物資訊。圖5B係根據本文中描述之某些實施方案之包含圖4B之例示性方法100之態樣(例如，操作方塊110、120、130、140、150、160及162之實例)之另一例示性方法100之一流程圖。
圖4C係根據本文中描述之某些實施方案之用於分析一樣本20之一三維結構(例如，特性化空間結構及材料組合物；使用雙能X射線度量衡)之另一例示性方法100之一流程圖。除圖4A之操作方塊110、120、130之外，圖4C之方法100進一步包括在一操作方塊170中，產生一第二X射線光束，該第二X射線光束在半峰全寬處具有小於20 eV之一第二能量頻寬及在比一第二吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之一範圍(例如，1 eV至5 eV之一範圍)中之一第二平均X射線能量。在某些實施方案中，第二吸收邊緣能量屬於第一所關注原子元素，且第一吸收邊緣能量及第二吸收邊緣能量彼此分離達至少1 keV。例如，第一吸收邊緣能量可係第一所關注原子元素之一L邊緣能量且第二吸收邊緣能量可係第一所關注原子元素之一M邊緣能量。在某些其他實施方案中，第二吸收邊緣能量屬於不同於第一所關注原子元素之一第二所關注原子元素。第二X射線光束經準直以在垂直於第二X射線光束之一第二傳播方向的至少一個方向上具有小於7 mrad之一第二準直角範圍(例如，小於4 mrad；小於1 mrad)。圖4C之方法100進一步包括在一操作方塊180中，使用第二X射線光束輻照樣本20及在一操作方塊190中，偵測來自樣本20之第二X射線光束之一第二反射部分(例如，第二XRR資料)。在某些實施方案中，圖4C之方法100進一步包括藉由分析經偵測第二反射部分(例如，第二XRR資料)與經偵測第一反射部分(例如，第一XRR資料)、經偵測X射線螢光X射線(例如，XRF資料)及/或經偵測光電子(例如，XPS資料)而獲得關於樣本20之空間及組合物資訊。
在某些實施方案中，關於樣本20之某一空間及材料之一先驗知識係已知的。例如，可在執行一或多個新程序步驟(例如，添加或移除材料，諸如使用原子層沈積將介電層添加至矽奈米片上)之前先前特性化樣本之空間及材料。一或多個程序步驟之後之樣本20之度量衡可包括選擇在一或多個新程序步驟中添加之材料之一原子元素作為所關注原子元素或選擇經移除材料之一原子元素(例如，殘餘物)作為所關注原子元素及執行如本文中描述之一方法。在某些實施方案中，可在分析使用具有在比所關注元素之一吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之範圍中(例如，在1 eV至5 eV之範圍中；在5 eV至1 keV之範圍中)之一平均X射線能量之一X射線光束(例如，第一X射線光束32)獲得之XRR及XRF資料時使用已知空間及材料資訊。在某些其他實施方案中，可另外使用運用低於所關注元素之吸收邊緣能量及實質上類似於第一X射線光束32之光束特性之其他光束特性之一第二X射線光束(例如，具有在1 eV至1 keV或1 eV至5 eV之範圍中的一平均X射線能量)收集之XRR資料。
在某些實施方案中，量測且分析在一小掠射角範圍內或以小數目個離散掠射角獲得之XRR及XRF資料以獲得關於一或多個經添加或經移除材料之空間及材料資訊。可回應於關於一或多個經添加或經移除材料之空間及材料資訊基於XRR及XRF資料之靈敏度(例如，改變)選擇掠射角及/或離散掠射角之小範圍。可藉由分析(例如，模擬)或量測預先判定靈敏度。某些此等實施方案之益處包含經增加度量衡量測處理能力。
圖6係根據本文中描述之某些實施方案之用於檢測(例如，程序監測)之一例示性方法200之一流程圖。例示性方法200可用於藉由以針對其等對預選擇特定參數之高靈敏度選擇之有限數目個掠射角量測XRR及/或XRF資料而量測一平坦基板上之一3D結構之一或多個預選擇空間及材料參數。在一操作方塊210中，方法200包括選擇(例如，預定)經預選擇材料中之至少一個所關注元素(EOI)。在一操作方塊220中，方法200進一步包括產生一X射線光束以供XRR及XRF量測。X射線光束具有小於20 eV之一能量頻寬(例如，半峰全寬)及在比所關注元素(EOI)之一吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之範圍中(例如，在1 eV至5 eV之範圍中；在5 eV至1 keV之範圍中)之一平均X射線能量且在至少一個方向上經準直以具有小於7 mrad (例如，小於4 mrad；小於1 mrad)之一準直角。在某些實施方案中，所關注元素之吸收邊緣能量經選擇以在0.1 keV與5.4 keV之間。在某些實施方案中，平均X射線能量小於基板之主要元素之一吸收邊緣能量(例如，針對矽基板，1.84 keV)。
在一操作方塊230中，方法200進一步包括選擇(例如，預定)有限數目個特定掠入射角(例如，小於20、50或100，其中掠入射角之至少20%彼此良好分離)以供XRR及XRF信號收集。可針對其等對預選擇一或多個特定參數之高靈敏度選擇特定掠入射角。在某些實施方案中，特定掠入射角對應於預期XRR信號中及/或XRF信號中之峰值。在某些實施方案中，亦以對應於XRR曲線及/或XRF光譜中之預期谷值及/或峰值之特定掠入射角收集資料。在某些此等實施方案中，EOI之XRR信號中之峰值對應於樣本20中在含有EOI之層處之激發X射線光束(例如，第一X射線光束32)之正干涉。在一操作方塊240中，方法200進一步包括在至少一個方向上(例如，在反射平面中)將X射線光束準直至小於3 mrad。
在一操作方塊250中，方法200進一步包括在一樣本20之一平坦基板上之一區域上以預定掠入射角引導X射線光束及在一操作方塊260中，以預定掠入射角同時收集XRR及XRF資料。在一操作方塊270中，方法200進一步包括一起分析XRR及XRF資料以獲得樣本之結構及材料資訊。
在某些實施方案中，方法200包括收集具有高於EOI之吸收邊緣能量之一第一平均X射線能量之一第一XRR曲線及收集具有低於EOI之吸收邊緣能量之一第二平均X射線能量之一第二XRR曲線。可依序或同時收集第一及第二XRR曲線，且可一起分析第一及第二XRR曲線之資料以獲得樣本之結構及材料資訊。在某些實施方案中，使用高於EOI之吸收邊緣能量之一第一平均X射線能量收集一第一XRR資料集及XRF資料且使用低於EOI之吸收邊緣能量之一第二平均X射線能量收集一第二XRR資料集。可依序或同時收集第一及第二XRR資料集，且可與XRF資料一起分析第一及第二XRR資料集以獲得樣本之結構及材料資訊。
在某些實施方案中，分析經量測資料(例如，在操作方塊132、162、270中)包括以下一或多者：比較至少一些經量測資料與來自樣本之一或多個經模擬模型之預期值；比較至少一些經量測資料與一先驗資訊(例如，在程序之前)以判定改變；比較至少一些經量測資料與來自一已知參考樣本之量測。在某些實施方案中，分析可實現自預期值(例如，自一先驗資訊、預期經模擬值及/或已知參考值)判定樣本20之實體尺寸之偏差。此等偏差量測可用於藉由在一經量測偏差落在預期值之一預定範圍之外時藉由產生自動化警報而提供程序監測(例如，在製造程序期間關於裝置之快速回饋)。在某些實施方案中，本文中描述之方法可用於量測含有一或多個所關注原子元素之有限數目個材料層之3D空間資訊。 例示性應用
本文中描述之某些實施方案之應用包含(例如)在矽奈米片上之介電沈積(例如，判定沈積之均勻性)期間或之後、在虛設閘極移除期間/之後等對環繞式閘極(GAA)裝置之半導體程序之度量衡及/或檢測。在某些實施方案中，經分析樣本係一半導體樣本(例如，一半導體晶圓)。在某些實施方案中，樣本上之所關注區係一半導體樣本之一測試圖案或一切割道，而在某些其他實施方案中，所關注區係一半導體樣本之一主動區域。在某些實施方案中，樣本表面上至少在兩個維度之平行於表面之更小者中之X射線光束佔據面積小於100微米。 一奈米片堆疊中之經深度解析 HfO 2 厚度
本文中描述之某些實施方案可提供一半導體奈米片堆疊中之HfO 2之經深度解析厚度特性化。例如，X射線產生器60可利用經組態以產生Si Kα X射線62之包括Si之一X射線產生材料68 (例如，SiC)。Si Kα X射線62具有低於Si吸收邊緣但高於Hf之兩個M吸收邊緣(1.7164 keV下之M 4及1.6617 keV下之M 5)之一平均X射線能量(1.74 keV)。X射線光學子系統70可包括與一準直光束阻擋件(例如，孔隙；狹縫；針孔)組合使用之一或多個聚焦X射線光學元件且可經組態以準直X射線光束32以在含有入射X射線光束及表面法線之散射平面中之方向上具有3 mrad之一準直角範圍。第一X射線光束32可經聚焦且準直以依具有小於或等於50 x 500微米(例如，50 x 300微米、40 x 500微米、40 x 300微米或更小)之FWHM之一光點大小入射於樣本20上，且XRR及XRF信號可在一掠入射角範圍內(例如，在3 mrad與300 mrad之間)收集。
圖7A示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之一半導體奈米片堆疊結構之三個例示性模擬模型。例示性模擬模型各具有沿著深度方向具有10 nm之厚度之Si奈米片，且垂直於深度方向之橫向尺寸可為任何大小(例如，在自1 nm至10 nm之一範圍中，在自10 nm至50 nm之一範圍中，或50 nm或更大)。Si奈米片由具有(i) 2 nm、(ii) 1.5 nm或(iii) 1 nm之一厚度之HfO 2(介電材料)包圍，且藉由在深度方向上具有(i) 6 nm、(ii) 7 nm或(iii) 8 nm之一厚度之氣隙彼此分離。氣隙之厚度等於10 nm減去鄰近HfO 2介電層之厚度(例如，針對具有2 nm之一厚度之HfO 2介電層，氣隙厚度係10 nm - (2·2 nm) = 6 nm)。
圖7B展示根據本文中描述之某些實施方案之經模擬以使用三個X射線能量收集之對應於圖7A之三個例示性模擬模型之經模擬XRR資料(例如，曲線)之圖表。圖7B之圖表之各者表示在不同X射線能量之情況下依據入射角而變化且經模擬以自圖7A之具有(i) 2 nm、(ii) 1.5 nm及(iii) 1 nm之HfO 2層之Si奈米片結構收集之經模擬XRR強度。最左圖表具有1.49 keV之一X射線能量(例如，Al特性發射線X射線)；中心圖表具有1.74 keV之一X射線能量(例如，來自SiC之Si特性發射線X射線)，且最右圖表具有9.7 keV之一X射線能量。
圖7C展示根據本文中描述之某些實施方案之透過在三個X射線能量下之圖7B之三個XRR曲線之間之簡單減法之經模擬差之圖表。圖7C繪示XRR強度之差隨著X射線能量增加而增加，且在大X射線能量下，大多數XRR資訊在非常低入射角(例如，低於1度)下。在此等低入射角下之XRR量測可跨大於可期望之一區域擴展X射線光束佔據面積。在某些實施方案中，XRR量測係使用1.74 keV之一X射線能量進行，其中XRR曲線展示在一較廣範圍中(例如，在1.5度與7度之間)之入射角內依據HfO 2層厚度而變化之實質差。
圖7D展示根據本文中描述之某些實施方案在1.74 keV之一激發X射線能量之情況下依據入射角而變化之一Hf M 5N 7特性XRF線之一經模擬信號之一圖表。應注意，垂直軸之值表示一個入射光子之預期XRF光子。由於入射X射線能量稍微高於Hf之M吸收邊緣，故入射X射線在激發Hf M X射線螢光信號方面係有效的。再者，1.74 keV下之Si特性發射線X射線未自塊狀Si基板激發X射線螢光，藉此增加經量測Hf XRF信號之信雜比。圖7A至圖7D證實根據本文中描述之某些實施方案使用產生具有高於經分析塊狀樣本之一原子元素之吸收邊緣能量之一特性X射線能量(例如，1.74 keV)之X射線之一X射線產生材料68之一優點。
圖7E展示根據本文中描述之某些實施方案之在三個不同X射線能量下之經模擬XRR信號差之一圖表，其繪示對介面及表面之粗糙度之一靈敏度。圖7E之經模擬XRR信號差在假定全部表面及介面上之零粗糙度之Si奈米片結構之一第一模型與假定最頂表面上之1 nm粗糙度及介面處之0.5 nm粗糙度之一第二模型之間。圖7E證實，隨著X射線能量減小(即，隨著X射線波長增加)，粗糙度對XRR信號之影響減小。此資訊可用於正規化資料。圖7E亦證實使用根據本文中描述之某些實施方案之一雙能方法論之一優點。
圖8A至圖8E證實類似於圖7A至圖7E之案例但具有對層厚度之修改之另一案例。再者，圖8A至圖8E之案例表示一雙能方法，其中各X射線能量經選擇以高於一所關注原子能量之吸收邊緣之一者：1.74 keV (例如，由基於Si之源產生)，其高於Hf M吸收邊緣；及9.713 keV (例如，由基於Au之源產生)，其高於Hf L吸收邊緣。
圖8A示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之一半導體奈米片堆疊結構之兩個例示性模擬模型。例示性模擬模型各具有沿著深度方向具有10 nm之厚度之Si奈米片，且垂直於深度方向之橫向尺寸可為任何大小(例如，在自1 nm至10 nm之一範圍中，在自10 nm至50 nm之一範圍中，或50 nm或更大)。Si奈米片由HfO 2(介電材料)包圍，其中(i)第一模型具有各Si奈米片上方之具有2 nm之一厚度之頂部HfO 2層及各Si奈米片下方之具有1.5 nm之一厚度之底部HfO 2層，且(ii)第二模型具有各Si奈米片上方之具有1.5 nm之一厚度之頂部HfO 2層及各Si奈米片下方之具有2 nm之一厚度之底部HfO 2層。在兩個模型中，Si奈米片藉由在深度方向上具有6.5 nm之一厚度之氣隙彼此分離。圖8A證實其中儘管有不同結構，然整體HfO 2信號保持相同之一具挑戰性案例。
圖8B展示根據本文中描述之某些實施方案之在兩個不同激發X射線能量下之來自圖8A之兩個模型之經模擬XRF信號之圖表。針對具有9.713 keV之一X射線能量(例如，來自基於Au之源)之激發X射線，來自兩個模型之經模擬以依據入射角而收集之Hf L 3M 5XRF線之XRF信號展示某一區別資訊，儘管事實為兩個模型含有相同量之HfO 2。針對具有1.74 keV之一X射線能量(例如，來自基於SiC之源)之激發X射線，來自兩個模型之經模擬以依據入射角而收集之Hf M 5N 7XRF線之XRF信號亦展示某一區別資訊。區別資訊源自由提供更強信號之所關注HfO 2層處之相長干涉之區中自Si奈米片之反射引起之干涉圖案。在某些實施方案中，在XRF之前3至5個峰值及谷值處收集XRF信號，此係因為更小入射角具有對最頂層之更多靈敏度。另外，圖8B展示隨著入射角增加，XRF信號在具有大於第二模型之信號強度之一第一模型與具有小於第二模型之信號強度之第一模型之間「翻轉」。
圖8C展示根據本文中描述之某些實施方案之透過在兩個激發X射線能量下之圖8B之兩個Hf XRF曲線之間之簡單減法之經模擬差之圖表。如藉由圖8C展示，使用9.713 keV之一激發X射線能量提供XRF信號之一更大差但在更小入射角下。
圖8D展示根據本文中描述之某些實施方案之經模擬以使用三個X射線能量自圖8A之Si奈米片結構收集之對應於圖8A之兩個例示性模擬模型之經模擬XRR信號(例如，曲線)之圖表。最左圖表具有1.49 keV之一X射線能量(例如，低於Hf M吸收邊緣之Al特性發射線X射線)；中心圖表具有1.74 keV之一X射線能量(例如，高於Hf M吸收邊緣之來自SiC之Si特性發射線X射線)，且最右圖表具有2.23 keV之一X射線能量(例如，高於Si K吸收邊緣)。針對各激發X射線能量，來自兩個模型之XRR信號展示依據入射角而變化之彼此之差。
圖8E展示根據本文中描述之某些實施方案之圖8D之經模擬XRR信號之間之差之圖表。圖8E證實選取低於基板及/或封蓋層(例如，矽)之一主要吸收邊緣之一激發X射線能量之某些實施方案之一優點。圖8E之最右圖表證實，藉由基板及封蓋層之吸收衰減可在XRR信號之間偵測之差。
圖9展示圖表，其等繪示根據本文中描述之某些實施方案之其中針對兩個不同所關注原子元素收集XRF信號之一雙能方法之結果。除一第一所關注原子元素之XRF信號之外，亦可收集一第二所關注原子元素之XRF信號。第二所關注原子元素可係經分析材料/層/樣本之另一成分。例如，針對HfO 2，如圖9中展示，第二所關注原子元素係氧且第一所關注原子元素係Hf。在圖9之XRF信號中，雙能方法使用高於第一所關注原子元素(例如，Hf)之一吸收邊緣之一第一激發X射線能量及低於第一所關注原子元素之吸收邊緣之一第二激發X射線能量，同時亦使用第二所關注原子元素(例如，氧)之兩個激發X射線能量產生XRF信號。此額外資料可用於在一度量衡擷取方法或一檢測擷取方法中特性化HfO 2層厚度，如本文中描述。 與某些元素相關之特性化
本文中描述之某些實施方案可用於在普遍用於開發矽奈米片之程序中區分Si層與SiGe層。針對Ge及具有在0.8 keV與1.5 keV之間之一吸收邊緣之任何其他所關注元素(其等之實例包含具有自4 (B)至11 (Na)，自19 (K)至31 (Ge)及自40 (Zr)至64 (Gd)之原子序數之原子元素)，在具有包括Mg或Mg化合物(例如，MgCl)之一目標之一電子轟擊X射線源中產生之Mg K線(1.254 keV)可用於產生具有在比所關注元素之吸收邊緣高1 eV至1 keV之範圍(例如，1 eV至5 eV之一範圍)中之X射線能量之X射線。
本文中描述之某些實施方案可用於偵測其他所關注原子元素。例如，針對具有在0.8 keV與1.5 keV之間之一吸收邊緣之一所關注原子元素(包含具有自8 (O)至12 (Mg)，自22 (Ti)至34 (Se)及自49 (In)至68 (Er)之原子序數之原子元素)，可使用在具有包括Al或Al化合物之一目標之一電子轟擊X射線源中產生之Al K線(1.486 keV)。針對另一實例，針對具有在0.8 keV與1.74 keV之間之一吸收邊緣之一所關注原子元素(包含具有自9 (F)至13 (Al)，自24 (Cr)至35 (Br)及自56 (Ba)至73 (Ta)之原子序數之原子元素)，可使用在具有包括Si或Si化合物之一目標之一電子轟擊X射線源中產生之Si K線(1.74 keV)。替代地，可使用在具有包括W或W化合物之一目標之一電子轟擊X射線源中產生之W Mα線(1.8 keV)。 進一步例示性實施方案
在某些實施方案中，可跨一Q值範圍(例如，自0至0.15)量測XRR，其中 Q被定義為： Q= (4π sin θ) / λ其中 θ係入射角且 λ係入射X射線之波長。在某些實施方案中，在接近(例如，在10%內；在20%內)但低於基板之一原子元素及/或非所關注原子元素之多層之一吸收邊緣之低X射線能量下執行XRR。在某些此等實施方案中，可針對接近(例如，在10%內；在20%內)且低於所關注原子元素之吸收邊緣之X射線能量進行XRR量測。
本文中描述之某些實施方案使用兩個或更多個X射線能量提供度量衡(例如，在有限數目個入射角下使用兩個或更多個X射線能量獲得之有限數目個XRR量測)。例如，此等X射線能量在包括所關注原子元素之材料之實部及/或虛部中可具有大於10%之折射率差。在某些此等實施方案中，一個X射線能量可低於一所關注原子元素之一吸收邊緣且另一X射線能量可高於吸收邊緣。入射X射線光束可具有一小能量頻寬及小準直角範圍。在製造之一第一階段(例如，在沈積所關注原子元素(例如，HfO 2)之前)之樣本結構(例如，Si奈米片之厚度；Si奈米片與基板之間之間距)可係已知的，且度量衡可用於在製造之一第二階段(例如，在沈積所關注原子元素之後)分析樣本結構。
某些實施方案包含針對各種結構及各種X射線能量模擬XRR曲線，該等結構及X射線能量之實例包含：使用具有Mg K線或Al K線及Si K線之X射線能量之X射線之Si奈米片上之HfO 2層；使用具有Mg、Al或Si之K線之X射線能量之X射線之Si/SiGe奈米片堆疊中之Ge層；使用具有Si或Al之K線(其等低於Si K邊緣吸收邊緣)及Mo、Rh或Pd之L線之一者之X射線能量之X射線之Si奈米片之Si層。某些實施方案包含使用具有至少兩個X射線能量之XRR資料以判定一平坦基板上之一分層材料結構中之所關注原子元素之結構資訊。如本文中描述，模擬展示，部分歸因於Si Kα線高於Hf M吸收邊緣能量且低於Si K吸收邊緣能量，而Al Kα線低於Hf M吸收邊緣能量，可一起使用Si Kα線(1.74 keV能量)及Al Kα線(1.5 keV)之X射線以使用XRR量測HfO 2膜厚度變動以提供互補資料。
在某些實施方案中，度量衡可額外包含在使用大於所關注原子元素之一吸收邊緣能量但小於3 keV之X射線激發能量之至少一個XRR量測期間收集所關注原子元素之特性螢光X射線以用於所關注原子元素之特性螢光X射線之有效產生以提供補充資訊。某些實施方案使用XRR資料與XRF資料以判定一平坦基板上之一分層材料結構中之所關注原子元素之結構資訊。
為了監測其中在一分層材料結構中包含一所關注原子元素之製造程序，某些實施方案可包括：選擇具有與結構中之至少一個所關注原子元素之強相關性(例如，回應)之有限數目個X射線量測；使用選定數目個X射線量測收集一參考標準上之至少一個所關注原子元素之一資料集；使用相同選定數目個X射線量測收集一測試物件上之至少一個所關注原子元素之一資料集；計算兩個資料集之偏差(例如，差)；及判定偏差是否在所關注原子元素之結構參數之程序窗內。特定選擇有限數目個X射線量測實例可包含使用高於所關注原子元素之一吸收邊緣但小於1 keV之一X射線能量之有限數目個量測。入射X射線光束可具有一小能量頻寬及一小準直角範圍。
在某些實施方案中，使用Si Kα線X射線及/或Al Kα線X射線以有限數目個入射角監測三個Si奈米片(例如，各Si奈米片具有10 nm之一厚度及鄰近奈米片之間之20 nm之一間距)上之HfO 2層之厚度。在一個實例中，三Si奈米片結構可使用至少兩個模型模擬，該至少兩個模型之各者在全部三個Si奈米片之兩側上具有彼此相等之對應HfO 2層厚度(例如，模型之HfO 2層厚度彼此相差0.5 nm；一第一模型具有等於1.5 nm之HfO 2層厚度且一第二模型具有等於2.0 nm之HfO 2層厚度)。在另一實例中，三Si奈米片結構可使用至少兩個模型模擬，該至少兩個模型之各者具有彼此相等之頂部HfO 2層厚度(例如，2.0 nm)，底部HfO 2層厚度彼此相等(例如，1.5 nm)，且頂部HfO 2層厚度與底部HfO 2層厚度不同。在另一實例中，三Si奈米片結構可使用至少兩個模型模擬，該至少兩個模型之各者在頂部及底部Si奈米片之頂側及底側上具有彼此相同之HfO 2厚度(例如，頂部Si奈米片：頂側及底側兩者上為2.0 nm；底部Si奈米片：頂側及底側兩者上為1.5 nm)且中間Si奈米片之頂側及底側上之HfO 2層厚度等於頂部及底部Si奈米片上之HfO 2層厚度之均值(例如，Si奈米片之頂側及底側兩者上為1.75 nm)。針對各實例，可在一個或兩個入射角下(例如，經選擇係因為預期其等對模型之間之差異充分靈敏)獲得資料。
在某些實施方案中，使用Si Kα線X射線及自至少一個參考樣本獲得之參考資料監測至少一個測試樣本上之一三層Si/SiGe奈米堆疊之Si層及SiGe層之相對厚度(例如，至少一個參考樣本之各Si/SiGe奈米片具有10 nm之一厚度及鄰近Si/SiGe奈米片之間之20 nm之一間距)。在一個實例中，一參考樣本針對Si/SiGe奈米片之各者具有等於1.05之一Si/SiGe厚度比率，且可在一個或兩個入射角下(例如，經選擇係因為預期其等對相對於來自參考樣本之參考資料之厚度比率充分靈敏)獲得來自參考樣本之參考資料及來自至少一個測試樣本之測試資料。在另一實例中，自其中頂部、中間及底部Si/SiGe奈米片具有不同Si/SiGe厚度比率(例如，頂部奈米片：1.0；中間奈米片：0.98；底部奈米片：0.95)之一參考樣本獲得參考資料。可在有限數目個XRR量測點處(例如，經選擇係因為預期其等對相對於來自參考樣本之參考資料之厚度比率充分靈敏)獲得參考資料及測試資料。
在某些實施方案中，可使用入射X射線與自分層材料結構之介面反射之X射線之相長干涉及相消干涉以提供對結構參數之額外靈敏度。在某些實施方案中，可使用高於所關注原子元素之一吸收邊緣但小於1 keV之一入射X射線能量獲得有限數目個特性XRF量測。入射X射線光束可具有足夠相干性以透過入射X射線與藉由分層材料結構之介面反射之X射線之相長干涉及相消干涉產生分層材料結構內部之X射線強度調變。X射線能量可經選擇以有效地產生特性螢光X射線及/或提供一充分高信號對背景比率(例如，使用入射Si K線X射線以有效地產生Hf M線螢光X射線且使用入射Al K線X射線以有效地產生Ge L線螢光X射線)。
例如，分層材料結構可包括藉由空氣/真空區及包圍Si奈米片(例如，參見圖7A及圖8A)之薄(例如，小於3 nm厚) HfO 2層彼此分離之三個Si奈米片(例如，各10 nm厚)。特性氧K線螢光X射線及特性Hf L線螢光X射線透過20 nm之Si之X射線透射可大於90%且甚至針對在底部Si奈米片之底側處產生之特性螢光X射線可具有足夠透射。為了產生O特性K線螢光X射線，激發X射線可具有大於532 eV (其係氧K吸收邊緣能量)之一X射線能量。為了有效地產生O特性K線螢光X射線，且為了具有在一充分窄光譜頻寬內之一充分高X射線通量以產生分層材料結構內部之X射線強度調變，可使用具有包括Mg、Al及/或Si及其等相關化合物(例如，SiC)之一目標材料之一X射線源。為了產生Hf特性L線螢光X射線，激發X射線可具有大於1.662 keV之Hf M 3吸收邊緣能量之一X射線能量。為了有效地產生Hf特性L線螢光X射線且為了具有一充分窄光譜頻寬內之一充分高X射線通量以產生分層材料結構內部之X射線強度調變，可使用具有包括Si、Mo、Ru、Rh、Pd、W、Ir、Pt、Au、Ti及/或Cr及其等相關化合物之一目標材料之一X射線源以產生具有在自1.662 keV至5.5 keV之一範圍中的一X射線能量之至少一個特性X射線線。
圖10示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之藉由一入射X射線光束332輻照之一分層材料結構320。入射X射線光束332入射至一實質上平坦基板322 (例如，Si晶圓)上之分層材料結構324上(例如，在一空氣/真空環境中)，層材料結構324包括基板322上之兩個Si層325及其等下方之空氣/真空間隙區326。當入射角334大於全反射之臨界角時，X射線反射336發生在具有X射線折射率之一差異之Si層325與間隙區326之間(例如，Si層325與間隙區326之間)之全部介面處。如圖10中展示，經反射X射線光束336包括自兩個Si層325之頂部介面且自Si基板322 (長虛線)反射之第一反射X射線光束336a及來自自分層材料結構324之各種介面反射之第一反射X射線光束336a之部分之第二反射X射線光束336b，其中圖10僅展示一些此等第二反射X射線光束336b。
當入射X射線光束332具有足夠縱向(例如，時間)相干性時，第一反射X射線光束336a及第二反射X射線光束336b彼此干涉且與入射X射線光束332干涉。例如，一X射線光束之時間相干性長度近似等於X射線波長λ乘以λ/Δλ，其中Δλ係光譜頻寬。針對一給定光譜解析能力λ/Δλ，時間相干性長度與X射線波長成比例。干涉導致分層材料結構320內部之X射線強度調變。當入射X射線光束332具有足夠橫向(例如，空間)相干性時，可維持X射線強度調變。X射線強度調變可用於探測分層材料結構324中之至少一個所關注原子元素之空間資訊。當入射X射線光束332具有足夠縱向(例如，時間)相干性及足夠橫向(例如，空間)相干性時，來自入射X射線光束332與一反射X射線光束336之干涉之X射線強度可表達為： I i = A 1 2+ A 2 2+ 2· A 1· A 2·cos(φ)， 其中 A 1及 A 2分別係入射X射線光束332及反射X射線光束336之振幅，且φ係入射X射線光束332與反射X射線光束336之間之相對相位差。
針對圖10中展示之分層材料結構322，分層材料結構322內之X射線強度調變源自入射X射線光束332與第一及第二反射X射線光束336a、336b之干涉。第一反射X射線光束336a源自藉由分層材料結構322之兩個區(例如，Si層325及間隙326)之一介面反射之入射X射線光束332，而第二反射X射線光束336b源自藉由分層材料結構322之兩個區之一介面進一步反射之一第一反射X射線光束336a。第二反射X射線光束336b之振幅通常弱於第一反射X射線光束336a之振幅。例如，假定來自分層材料結構324對入射X射線光束332之衰減及反射之振幅減小可忽略，底部Si層325 (例如，最接近基板322之Si層)之底表面處之X射線強度 I 1可近似計算且表達為： I 1= ( A 0+ A 1+ A 2)·( A 0+ A 1+ A 2)* = A 0 2+ A 1 2+ A 2 2+ 2· A 0· A 1·cos(φ) + 2· A 0· A 2+ 2· A 1· A 2·cos(φ)， 其中 A 0係入射X射線光束332之振幅， A 1及 A 2分別係自基板322且自底部Si層325之底表面反射之第一反射X射線光束336a之振幅，且φ係在底部Si層325之底表面處之入射X射線光束332與自基板322反射之第一反射X射線光束336a之間之相對相位差，其近似地等於自底部Si層325之底表面至基板322之入射X射線光束332之X射線光束路徑長度加上自基板322反射至底部Si層325之底表面之第一反射X射線336a之X射線光束路徑長度。
當 A 0遠大於 A 1及 A 2時，底部Si層325之底表面處之X射線強度 I 1可近似計算且表達為： I 1= A 0 2+ 2· A 0· A 2+ 2· A 0· A 1·cos(φ)。 藉由變動入射X射線光束332之入射角，底部Si層325之底表面處之X射線強度 I 1可變動4· A 0· A 1，藉此提供關於底部Si層325之底表面處之原子元素組合物之資訊。類似地，(假定底部Si層325之底表面至基板322之間之間距與底部Si層325之厚度相同)底部Si層325之頂表面處之近似X射線強度可表達為： I 1= A 0 2+ 2· A 0· A 3+ 2· A 0· A 1·cos(φ) + 2· A 0· A 2·cos(φ)， 其中 A 3係自底部Si層325之頂表面反射之第一反射X射線光束326a之振幅。
因此，在相同入射角334下，當底部Si層325之頂表面上之X射線強度藉由2· A 0· A 1·cos(φ) + 2· A 0· A 2·cos(φ)調變時，底部Si層325之底表面上之X射線強度藉由2· A 0· A 1·cos(φ)調變。下文之表3展示針對φ之若干選定值之 B= 2· A 0· A 1·cos(φ)及 C= 2· A 0· A 1·cos(φ) + 2· A 0· A 2·cos(φ)之值。 表3：
φ B C
π/4 1.4· A 0· A 1 1.4· A 0· A 2
π /2 0 -2· A 0· A 1
3π/4 -1.4· A 0· A 1 -1.4· A 0· A 2
π -2· A 0· A 1 2· A 0· A 1- 2· A 0· A 2
5π/4 -1.4· A 0· A 1 -1.4· A 0· A 1
3π/2 0 -2· A 0· A 1
2π 2· A 0· A 1 2· A 0· A 1+ 2· A 0· A 2
3π -2· A 0· A 1 2· A 0· A 1- 2· A 0· A 2
4π 2· A 0· A 1 2· A 0· A 1+ 2· A 0· A 2
針對 A 1= A 2(當入射X射線光束332之能量大於1 keV時，其可係一良好近似計算)，表2可經簡化以具有基於因數 A 0· A 1之值，如表4中展示。 表4：
φ B C
π/4 1.4· A 0· A 1 1.4· A 0· A 2
π/2 0 -2· A 0· A 1
3π/4 -1.4· A 0· A 1 -1.4· A 0· A 2
π -2· A 0· A 1 0
5π/4 -1.4· A 0· A 1 -1.4· A 0· A 1
3π/2 0 -2· A 0· A 1
2π 2· A 0· A 1 4· A 0· A 1
3π -2· A 0· A 1 0
4π 2· A 0· A 1 4· A 0· A 1
如表2及表3中展示，在某些實施方案中，在底部Si層之頂表面及底表面處之相對X射線強度可藉由改變相對相位差而改變，其可用於獲得兩個表面上之材料之相對資訊(例如，在一奈米片電晶體製造程序期間之SiGe蝕刻之後之兩個表面上之相對Ge殘餘物；兩個表面兩者上之HfO 2層厚度)。在某些實施方案中，藉由選擇一適當值，可獲得兩個表面之一者處之一X射線強度最大值或最小值，從而實現用於半導體裝置製造期間之程序監測之最佳條件之選擇。
上文之論述關注於僅包括Si層/間隙區之雙層對之一分層材料結構324中之底部Si層325之介面及底部Si層325之頂表面與底表面處之X射線強度調變之計算。然而，在某些實施方案中，使用X射線干涉以使用一入射X射線光束332以足夠相干性條件產生X射線強度調變之方法可針對具有有限數目個層之任何分層材料結構324一般化。某些此等實施例可用於度量衡以及程序監測，其中在一參考標準之相同量測條件下參考使用針對一特定材料及/或結構參數最佳化之僅小數目個量測。
在某些實施方案中，一樣本內部之X射線強度調變可藉由X射線反射率顯現，X射線反射率與自樣本之表面出射之全部反射X射線之總和成比例且可以入射X射線光束之分率表達。X射線反射率僅量測反射光束之X射線強度且非反射X射線光束之相位。因此，X射線反射率量測未提供關於樣本內部之X射線強度分佈之資訊。
圖11展示來自包括具有在一矽基板322 (例如，參見圖10)上彼此間隔10 nm (例如，具有一20 nm週期)之10 nm厚Si層325之兩對Si/間隙區之一分層材料結構324之一經計算XRR曲線。XRR曲線包含源自入射X射線光束332與來自分層材料結構324之介面之全部反射X射線光束336之干涉之反射率最小值及最大值。反射率最小值及最大值與分層材料結構324內部之X射線強度調變直接相關。
圖11亦示意性地繪示三個經指示介面處之相對相位差：針對XRR曲線處於一局部最小值或一局部最大值之四個入射角之兩個Si層325之頂表面及基板322。第一最小值針對來自頂部Si層325之頂表面之第一反射X射線光束336a與自基板322反射之第一反射X射線光束336a之相位差導致相消干涉之一入射角發生。第一反射率最大值針對來自頂部Si層325之頂表面之第一反射X射線光束336a與自基板322反射之第一反射X射線光束336a之相位差導致相長干涉之一入射角發生。
本文中描述之某些實施方案可用於特性化一平坦基板上之一分層材料結構中之一或多個所關注原子元素在各種深度處之一深度分佈。例如，一原子元素(例如，Ge)在兩個Si層325之頂表面及底表面處或附近之相對量可回應於入射X射線光束332 (例如，偵測Ge特性X射線)而使用經選擇以提供更大差之入射角之四個值量測。本文中描述之某些實施方案可用於量測一分層材料結構中之任何深度(例如，不限於一特定介面)處之一或多個所關注原子元素。本文中描述之某些實施方案可用於分析包括具有或不具有週期性之複數個層之分層材料結構。
本文中描述之某些實施方案包括具體選擇有限數目個X射線量測實例。
本文中描述之某些實施方案利用具有長相干長度之低能量X射線。例如，Cu Kα 1及Kα 2係400X，1.5 A導致600 A (60 nm)之多層單色器，需要使用單晶單色器以獲得4000解析能力(僅選擇K α 1)以獲得600 nm之相干性長度。針對Si Kα，1740/0.7 ＞ 2000x x 0.6nm = 1200 nm之相干性長度。另外，較低能量X射線提供用於使用樣本上之小X射線光束佔據面積進行度量衡及程序監測之優點，此係因為相對於物鏡表面之X射線入射角與臨界角成比例，入射X射線光束之角準直與X射線波長成比例，且對於半導體裝置中之許多所關注低Z元素(諸如HfO 2中之O)，螢光橫截面較大。假定理想配比保持相同或由其他技術已知或兩者，可使用兩個元素之一者量測HfO 2厚度。
在其中入射X射線光束在矢狀方向上聚焦至樣本上小於40微米之一大小之某些實施方案中，可沿著切向方向使用多個測試墊，其等之實例具有以下一或多者：大會聚角或高入射角、高角度諧波(例如，具有較短駐波及因此較高解析度之高角度)、低於及高於一所關注原子元素及/或一所關注材料中之一原子元素之一吸收邊緣之雙X射線能量、短於駐波間距之一半之X射線波長。
在某些實施方案中，入射X射線光束可經引導至包括至少一個分層材料結構之樣本上。例如，針對包括一平坦材料結構之一樣本，入射角可小於20度且大於平坦基板之全外反射之臨界角或分層材料結構之臨界角(以較大者為準)。可藉由改變一固定X射線探測能量之掠入射角或藉由改變一固定掠入射角之X射線能量而變動分層材料結構內部之X射線強度變動。
在某些實施方案中，入射X射線光束之X射線能量經選擇以產生具有樣本內之短穿透長度之二次粒子以獲得元素特定深度資訊。使用具有短及不同穿透長度之兩個或更多個二次粒子，可達成高深度量測靈敏度及合理地大之探測深度。在某些實施方案中，可針對一系列原子元素使用且最佳化入射X射線光束之複數個X射線能量以產生具有所要穿透長度之二次粒子。此等技術之深度探測能力可單獨或彼此組合使用。
某些實施方案可用於以奈米解析度在深度及/或3D上量測結構。例如，可在一或多個分層材料結構上以相對於基板之一平坦表面之一掠入射角引導具有某些屬性之一入射X射線光束以沿著基板之平坦表面之表面法線產生一X射線強度變動，X射線強度變動源自入射X射線光束與自分層材料結構與基板之介面反射之X射線之干涉。藉由調諧掠入射角，可變動沿著表面法線之X射線強度分佈。歸因於分層材料結構中之一或多個原子元素對X射線之吸收(例如，電離)，可產生二次粒子(例如，特性螢光X射線、光電子及歐傑(Auger)電子)。特性螢光X射線及歐傑電子係高度原子元素特定的且獨立於X射線光束之X射線能量。當入射X射線係單色時，光電子亦係原子元素特定的，此係因為其等能量等於入射光束之X射線能量與原子元素內之電子之結合能之間之差。針對一給定結構(例如，一薄層)，藉由一原子元素產生之二次粒子之數目與層處之X射線強度及原子元素之原子序數成比例。因此，可藉由量測原子元素特定之二次粒子之數目而量測分層材料結構中之一或多個原子元素之量。使用一經校準標準參考樣本，此技術可用於在半導體製造程序中量測且監測所關注材料中之原子元素之量以確保製造程序在一預定程序窗內。藉由調諧掠入射角，可量測一或多個原子元素沿著平坦表面之表面法線之分佈，此係因為取決於X射線能量及掠入射角，X射線強度分佈可在1 nm至20 nm之間變動。沿著表面法線之X射線強度變動可尤其良好適用於研究半導體裝置之分層材料結構及其等製造程序。
在某些實施方案中，入射X射線光束之X射線能量經選擇以有效地產生具有1 nm與500 nm之間之有效線性衰減長度(例如，等效於光電子及歐傑電子之非彈性平均自由路徑)及大於50%之其等有效線性衰減長度之一比率之大量至少兩個二次粒子。一相對短有效線性衰減長度對於獲得二次粒子自其等起源至分層材料結構之表面之傳輸之相對強相依性可係有用的。其等有效線性衰減長度之間之一大差異對於平衡深度量測靈敏度及充分量測深度可係有用的。例如，可藉由選擇入射光束之X射線能量而變動光電子能量。此外，來自一原子中之兩個不同電子殼層之光電子具有不同能量及不同對應有效線性衰減長度。
在某些實施方案中，入射X射線光束係單色或準單色的，其中X射線之多於50%在小於1%之一能量頻寬內。入射X射線能量可經選擇以自具有大於300 eV之一能量差之一個原子元素產生光電子。入射X射線能量可經選擇以自來自相同原子元素或一不同原子元素之歐傑電子產生具有大於300 eV之一能量差之光電子。入射X射線能量可經選擇以自一或多個原子元素產生具有一或多個特性X射線能量之X射線使得透過分層材料結構產生之X射線之線性衰減長度小於200 nm。在某些實施方案中，使用兩個或更多個入射X射線能量以產生具有特性X射線之小於500 nm之線性衰減長度及小於30 nm之非彈性平均自由路徑之二次粒子。可偵測且使用具有線性衰減長度(X射線)或非彈性平均自由路徑(電子)之複數個二次粒子以獲得分層材料結構之結構資訊。可藉由針對一給定X射線光束能量變動X射線光束強度及變動掠入射角而變動分層材料結構中之一或多個原子元素來產生二次粒子之效率。例如，可在收集二次粒子時在一掠入射角範圍內掃描掠入射角。可量測且使用X射線反射率以校準或判定掠入射角之值。在某些實施方案中，與在一掠入射角範圍內之X射線反射率量測同時收集二次粒子。可使用來自兩個量測之資料以獲得關於分層材料結構之結構及材料資訊。
本文中描述之某些實施方案可避免在其他分析技術中發現之一或多個問題或爭論。例如，光學散射量測係模型相依的(例如，通常需要成像以提供一模型)，此可歸因於分層材料結構中之複雜性增加及新半導體裝置之特徵尺寸之縮小而係混雜的。電子顯微鏡(EM)及原子力顯微鏡(AFM)通常需要破壞性樣本製備以獲得分層材料結構之深度資訊，此可係耗時且破壞性的且因此對於一程序監測技術係非所要的。基於電子微探針之技術可歸因於大連續軔致輻射X射線背景(例如，用於電子引發之X射線螢光光譜法)及/或大電子背景(例如，在歐傑光譜法中)而在偵測靈敏度上受限制且高深度解析度可需要薄橫截面之破壞性樣本製備。此外，分析區域上之電子束引發之碳沈積可導致與沈積於分析區域上之碳之量相關聯之量測誤差，且尤其當偵測低能量特性X射線或歐傑電子時，充電可成問題。具有實驗室X射線源之透射小角度X射線散射(tSAXS)系統可不具有用於以足夠深度解析度量測分層材料結構之可接受處理能力。
雖然為了易於理解而使用普遍使用之術語以描述某些實施方案之系統及方法，但在本文中使用此等術語以具有其等最廣合理解譯。雖然關於闡釋性實例及實施方案描述本發明之各種態樣，但不應將經揭示實例及實施方案解釋為限制性。除非另外具體陳述或除非在如所使用之背景內容內理解，否則諸如「可」、「可以」、「可能」或「能夠」之條件語言通常旨在傳達某些實施方案包含(而其他實施方案不包含)某些特徵、元件及/或步驟。因此，此條件語言通常不旨在暗示一或多個實施方案以任何方式需要特徵、元件及/或步驟。特定言之，術語「包括(comprise)」及「包括(comprising)」應解譯為以一非排他性方式指代元件、組件或步驟，從而指示經引用元件、組件或步驟可存在或利用或與未明確引用之其他元件、組件或步驟組合。
除非另外具體陳述，否則諸如片語「X、Y及Z之至少一者」之連接語言在通常使用之背景內容內理解為傳達一物品、術語等可係X、Y或Z。因此，此連接語言通常不旨在暗示某些實施方案需要X之至少一者、Y之至少一者及Z之至少一者之存在。
如本文中使用之程度語言(諸如術語「近似」、「約」、「大體上」及「實質上」)表示接近所陳述值、量或特性之仍執行一所要功能或達成一所要結果之一值、量或特性。例如，術語「近似」、「約」、「大體上」及「實質上」可係指在所陳述量之± 10%內、± 5%內、± 2%內、± 1%內或± 0.1%內之一量。作為另一實例，術語「大體上平行」及「實質上平行」係指自精確平行偏離達± 10度、達± 5度、達± 2度、達± 1度或達± 0.1度之一值、量或特性，且術語「大體上垂直」及「實質上垂直」係指自精確垂直偏離達± 10度、達± 5度、達± 2度、達± 1度或達± 0.1度之一值、量或特性。本文中揭示之範圍亦涵蓋任何及全部重疊、子範圍及其等組合。諸如「至多」、「至少」、「大於」、「小於」、「在...之間」及類似者之語言包含所敘述數目。如本文中使用，「一」、「一個」及「該」之含義包含複數引用，除非背景內容清楚另外指示。雖然本文中相對於由序數形容詞標記之元件論述結構及/或方法，但序數形容詞僅用作標記以區分一個元件與另一元件，且序數形容詞不用於表示此等元件之一順序或其等使用。
上文已描述各種組態。應瞭解，本文中揭示之實施方案不相互排斥且可以各種配置彼此組合。雖然已參考此等特定組態描述本發明，但描述旨在闡釋本發明且不旨在限制性。熟習此項技術者可想到各種修改及應用而不脫離本發明之真實精神及範疇。因此，例如，在本文中揭示之任何方法或程序中，構成方法/程序之動作或操作可以任何適合序列執行且不需要限於任何特定所揭示序列。來自上文論述之各種實施方案及實例之特徵或元件可彼此組合以產生與本文中揭示之實施方案相容之替代組態。已在適當之情況下描述實施方案之各種態樣及優點。應理解，根據任何特定實施方案不必達成全部此等態樣或優點。因此，例如，應認知，可以達成或最佳化如本文中教示之一個優點或優點群組之一方式實行各種實施方案而無需達成如可在本文中教示或建議之其他態樣或優點。
10:系統 20:樣本 24:分層材料結構 26:實質上平坦表面 30:X射線源 32:第一X射線光束 34:入射角 36:反射部分 40:第一X射線偵測器 50:能量解析第二偵測器 52:X射線螢光(XRF) X射線 54:光電子 60:X射線產生器 62:X射線 64:X射線目標 65:導熱基板 66:結構 67:導熱材料 68:X射線產生材料 70:X射線光學子系統 72:X射線光學元件 72a:第一X射線光學元件 72b:第二X射線光學元件 74a:反射表面 74b:反射表面 74c:反射表面 74d:反射表面 76:光束光闌 77:孔隙 78:X射線不透明元件 100:方法 110:操作方塊 120:操作方塊 130:操作方塊 132:操作方塊 140:操作方塊 150:操作方塊 160:操作方塊 162:操作方塊 170:操作方塊 180:操作方塊 190:操作方塊 200:方法 210:操作方塊 220:操作方塊 230:操作方塊 240:操作方塊 250:操作方塊 260:操作方塊 270:操作方塊 320:分層材料結構 322:實質上平坦基板 324:分層材料結構 325:Si層 326:空氣/真空間隙區 332:入射X射線光束 334:入射角 336:X射線反射/經反射X射線光束 336a:第一反射X射線光束 336b:第二反射X射線光束
圖1示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之用於來自一待分析樣本之XRR及XRF及/或XPS之一例示性系統。
圖2示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之一例示性X射線產生器。
圖3A示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之接收藉由一例示性X射線產生器產生之X射線之一例示性X射線光學子系統。
圖3B示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之在圖3A之第二X射線光學元件之一出口端處之一例示性孔隙。
圖4A係根據本文中描述之某些實施方案之用於分析一樣本之一三維結構之一例示性方法之一流程圖。
圖4B係根據本文中描述之某些實施方案之用於分析一樣本之一三維結構之另一例示性方法之一流程圖。
圖4C係根據本文中描述之某些實施方案之用於分析一樣本之一三維結構之另一例示性方法之一流程圖。
圖5A係根據本文中描述之某些實施方案之包含圖4A之例示性方法之態樣之另一例示性方法之一流程圖。
圖5B係根據本文中描述之某些實施方案之包含圖4B之例示性方法之態樣之另一例示性方法之一流程圖。
圖6係根據本文中描述之某些實施方案之用於檢測(例如，程序監測)之一例示性方法之一流程圖。
圖7A示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之一半導體奈米片堆疊結構之三個例示性模擬模型。
圖7B展示根據本文中描述之某些實施方案之經模擬以使用三個X射線能量收集之對應於圖7A之三個例示性模擬模型之經模擬XRR資料(例如，曲線)之圖表。
圖7C展示根據本文中描述之某些實施方案之透過在三個X射線能量下之圖7B之三個XRR曲線之間之簡單減法之經模擬差之圖表。
圖7D展示根據本文中描述之某些實施方案在1.74 keV之一激發X射線能量之情況下依據入射角而變化之一Hf M 5N 7特性XRF線之一經模擬信號之一圖表。
圖7E展示根據本文中描述之某些實施方案之在三個不同X射線能量下之經模擬XRR信號差之一圖表，其繪示對介面及表面之粗糙度之一靈敏度。
圖8A示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之一半導體奈米片堆疊結構之兩個例示性模擬模型。
圖8B展示根據本文中描述之某些實施方案之來自在兩個不同激發X射線能量下之圖8A之兩個模型之經模擬XRF信號之圖表。
圖8C展示根據本文中描述之某些實施方案之透過在兩個激發X射線能量下之圖8B之兩個Hf XRF曲線之間之簡單減法之經模擬差之圖表。
圖8D展示根據本文中描述之某些實施方案之經模擬以使用三個X射線能量自圖8A之Si奈米片結構收集之對應於圖8A之兩個例示性模擬模型之經模擬XRR信號(例如，曲線)之圖表。
圖8E展示根據本文中描述之某些實施方案之圖8D之經模擬XRR信號之間之差之圖表。
圖9展示圖表，其等繪示根據本文中描述之某些實施方案之其中針對兩個不同所關注原子元素收集XRF信號之一雙能方法之結果。
圖10示意性地繪示根據本文中描述之某些實施方案之藉由一入射X射線光束輻照之一分層材料結構。
圖11展示根據本文中描述之某些實施方案之來自一分層材料結構之一經計算XRR曲線及在分層材料結構之三個經指示介面處之相對相位差。
10:系統
20:樣本
24:分層材料結構
26:實質上平坦表面
30:X射線源
32:第一X射線光束
34:入射角
36:反射部分
40:第一X射線偵測器
50:能量解析第二偵測器
52:X射線螢光(XRF)X射線
54:光電子
60:X射線產生器
62:X射線
70:X射線光學子系統

Claims (20)

  1. 一種用於分析一樣本之一三維結構之方法，該方法包括： 產生一第一X射線光束，該第一X射線光束在半峰全寬處具有小於20 eV之一第一能量頻寬及在比一第一所關注原子元素之一第一吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之一範圍中的一第一平均X射線能量，該第一X射線光束經準直以在垂直於該第一X射線光束之一第一傳播方向的至少一個方向上具有小於7 mrad之一第一準直角範圍； 使用該第一X射線光束以相對於該樣本之一實質上平坦表面之複數個入射角輻照該樣本，該複數個入射角之該等入射角在3 mrad至400 mrad之一範圍中；及 同時偵測來自該樣本之該第一X射線光束之一反射部分且偵測來自該樣本之X射線螢光X射線及/或光電子。
  2. 如請求項1之方法，其中該第一所關注原子元素之該第一吸收邊緣能量在0.1 keV至5.4 keV之一範圍中。
  3. 如請求項1之方法，其中該樣本包括一矽基板且該第一平均X射線能量小於矽之1.84 keV吸收邊緣能量。
  4. 如請求項1之方法，其中該第一準直角範圍小於4 mrad。
  5. 如請求項1之方法，其中該第一平均X射線能量在比該第一所關注原子元素之該第一吸收邊緣能量高1 eV至5 eV之一範圍中。
  6. 如請求項1之方法，其中該產生該第一X射線光束包括使用電子輻照至少一個X射線產生材料且自產生具有在100 eV至5.5 keV之一範圍中的能量之特性X射線之該至少一個X射線產生材料發射X射線。
  7. 如請求項6之方法，其中該產生該第一X射線光束進一步包括對該等X射線濾波以具有該第一能量頻寬。
  8. 如請求項1之方法，其中該第一X射線光束在包括該第一傳播方向及垂直於該表面之一方向的一反射平面中照射該樣本，該第一X射線光束在該反射平面中具有一準直角，該準直角小於該第一X射線光束在垂直於該反射平面的一平面中之一會聚角。
  9. 如請求項1之方法，其中在該樣本已經歷至少一個處理程序之後執行該使用該第一X射線光束輻照該樣本及該同時偵測該第一X射線光束之該反射部分及偵測該等X射線螢光X射線及/或該等光電子，該方法進一步包括： 藉由至少分析該經偵測第一反射部分、該等經偵測X射線螢光X射線及/或該等經偵測光電子而獲得關於該樣本之一第一組空間及/或組合物資訊；及 在該樣本經歷該至少一個處理程序之前比較關於該樣本之該經獲得第一組空間及/或組合物資訊與關於該樣本之一第二組空間及/或組合物資訊。
  10. 如請求項1之方法，其進一步包括： 產生一第二X射線光束，該第二X射線光束在半峰全寬處具有小於20 eV之一第二能量頻寬及在比該第一所關注原子元素之該第一吸收邊緣能量低1 eV至1 keV之一範圍中的一第二平均X射線能量，該第二X射線光束經準直以在垂直於該第二X射線光束之一第二傳播方向的至少一個方向上具有小於7 mrad之一第二準直角範圍； 使用該第二X射線光束輻照該樣本；及 偵測來自該樣本之該第二X射線光束之一第二反射部分。
  11. 如請求項10之方法，其進一步包括藉由分析該經偵測第二反射部分與該經偵測第一反射部分、該等經偵測X射線螢光X射線及/或該等經偵測光電子而獲得關於該樣本之空間及組合物資訊。
  12. 如請求項1之方法，其進一步包括： 產生一第二X射線光束，該第二X射線光束在半峰全寬處具有小於20 eV之一第二能量頻寬及在比該第一所關注原子元素之一第二吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之一範圍中的一第二平均X射線能量，該第一吸收邊緣能量及該第二吸收邊緣能量彼此分離達至少1 keV，該第二X射線光束經準直以在垂直於該第二X射線光束之一第二傳播方向的至少一個方向上具有小於7 mrad之一第二準直角範圍； 使用該第二X射線光束輻照該樣本；及 偵測來自該樣本之該第二X射線光束之一第二反射部分。
  13. 如請求項1之方法，其進一步包括： 產生一第二X射線光束，該第二X射線光束在半峰全寬處具有小於20 eV之一第二能量頻寬及在比不同於該第一所關注原子元素之一第二所關注原子元素之一第二吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之一範圍中的一第二平均X射線能量，該第二X射線光束經準直以在垂直於該第二X射線光束之一第二傳播方向的至少一個方向上具有小於7 mrad之一第二準直角範圍； 使用該第二X射線光束輻照該樣本；及 偵測來自該樣本之該第二X射線光束之一第二反射部分。
  14. 如請求項1之方法，其中該複數個入射角包括少於100個入射角且該等入射角之至少20%彼此分離達至少3 mrad。
  15. 如請求項14之方法，其進一步包括選擇該複數個入射角之至少一些該等入射角以對應於來自該樣本之該第一X射線光束之該經偵測反射部分中之預期極值及/或來自該樣本之該等經偵測X射線螢光X射線中之預期極值。
  16. 如請求項15之方法，其進一步包括： 分析預期值與該等經偵測第一反射部分之間及/或預期值與該等經偵測X射線螢光X射線之間之偏差；及 回應於該等偏差在一預定範圍之外而起始一警報。
  17. 一種用於分析包括實質上平行介面之一分層結構之方法，該方法包括： 使用一入射X射線光束以相對於該等實質上平行介面在3 mrad至400 mrad之一範圍中的一或多個入射角輻照該分層結構，該入射X射線光束在半峰全寬處具有小於20 eV之一能量頻寬及在比一所關注原子元素之一吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之一範圍中的一平均X射線能量，該入射X射線光束具有足夠相干性以透過該入射X射線光束與藉由該分層結構之該等實質上平行介面反射之該等入射X射線光束之X射線之相長干涉及相消干涉產生該分層結構內部之X射線強度調變；及 同時偵測藉由該等實質上平行介面反射之至少一些該等X射線且偵測來自該分層結構之X射線螢光X射線及/或光電子。
  18. 如請求項17之方法，其中該平均X射線能量在比該所關注原子元素之該吸收邊緣能量高1 eV至5 eV之一範圍中。
  19. 一種用於分析一樣本之一三維結構之系統，該系統包括： 至少一個X射線源，其經組態以產生在半峰全寬處具有小於20 eV之一能量頻寬及在比一所關注原子元素之一吸收邊緣能量高1 eV至1 keV之一範圍中的一平均X射線能量之至少一個X射線光束，該至少一個X射線光束經準直以在垂直於該至少一個X射線光束之一傳播方向的至少一個方向上具有小於7 mrad之一準直角範圍，該至少一個X射線源進一步經組態以引導該至少一個X射線光束以相對於該樣本之一實質上平坦表面之複數個入射角輻照該樣本，該複數個入射角之該等入射角在3 mrad至400 mrad之一範圍中； 至少一個第一偵測器，其經組態以偵測來自該樣本之該至少一個X射線光束之一反射部分；及 至少一個第二偵測器，其經組態以與該至少一個第一偵測器偵測該至少一個X射線光束之該反射部分同時偵測來自該樣本之X射線螢光X射線及/或光電子。
  20. 如請求項19之系統，其中該平均X射線能量在比該所關注原子元素之該吸收邊緣能量高1 eV至5 eV之一範圍中。
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