JPH05209847A - 蛍光x線分析方法および装置 - Google Patents

蛍光x線分析方法および装置

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JPH05209847A
JPH05209847A JP4257131A JP25713192A JPH05209847A JP H05209847 A JPH05209847 A JP H05209847A JP 4257131 A JP4257131 A JP 4257131A JP 25713192 A JP25713192 A JP 25713192A JP H05209847 A JPH05209847 A JP H05209847A
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rays
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Hisamasa Kono
久征 河野
Hiroshi Kobayashi
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Abstract

(57)【要約】 【目的】シリコン基板に含まれている元素と同一の元素
Siを含有するWSixの薄膜の膜厚とWの濃度を測定
する蛍光X線分析方法および装置において、安価な分析
装置で、短時間で精度良く分析を行う。 【構成】被測定試料1に一次X線B1を照射し、被測定
試料1からの蛍光X線B2を、第1および第2の分光素
子4A,4Bにより分光する。第1の分光素子4Aは、
W−Lα線B3を分光する。第2の分光素子4Bは、W
−Nx線B4を分光する。W−Lα線B3およびW−N
x線B4は、各々、第1および第2の測定器5A,5B
でX線強度が測定される。この測定強度に基づいて、演
算器6で膜厚tとWの濃度を求める。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、たとえば、大型のウ
エハの表面に設けた薄膜の膜厚および測定しようとする
元素の濃度の測定に適した蛍光X線分析方法および装置
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、LSIの高集積化に伴い、タング
ステンシリサイド(以下、「WSix」と記す。)のよ
うなシリサイドが、ポリシリコン層よりも、抵抗値が小
さく、かつ、高速動作に優れていることから注目を集め
ている。このWSixの薄膜は、膜厚だけではなく、シ
リコン基板との密着性などの観点から組成比(x)を測
定し、組成比(タングステンの濃度)の厳密な管理を行
う必要がある。この膜厚と組成比を測定する蛍光X線分
析方法の一例を図8に示す。
【0003】図8において、被測定試料1Aはモニタ
で、シリコン基板に代えてAl2 3のようなセラミッ
ク製の基板11Aの表面に、WSixの薄膜12を有し
ている。この被測定試料1Aに一次X線B1を照射し、
被測定試料1AからのW−Lα線B3およびSi−Kα
線B5の2種類の蛍光X線を測定する。ここで、上記両
蛍光X線B3,B5は、それぞれ、膜厚tとW(タング
ステン)の濃度により、その測定強度が変化するのであ
るが、W−Lα線B3の強度は膜厚tの影響が大きく、
一方、Si−Kα線B5の強度は濃度の影響が大きい。
そのため、公知のファンダメンタルパラメータ法によ
り、2つの測定強度から、膜厚tおよびWの濃度を比較
的正確に分析することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、最近、製造さ
れるウエハの直径が大きく(たとえば、8インチ)なっ
たのに伴い、セラミックであるAl2 3 の基板11A
が、コスト的に非常に高価になり、そのため、モニタを
使用しないで、膜厚tおよび濃度を測定する必要に迫ら
れている。上記モニタを使用しない場合は、シリコン基
板と薄膜の双方に同一の元素Siが含まれているので、
その分析が困難となる。上記モニタを用いないで分析す
る方法としては、ラザフォードバックスキャタと呼ばれ
るX線非破壊検査もなされているが、分析に要する時間
が長いなどの欠点がある。
【0005】また、シリコン基板上にWSixの薄膜を
有する被測定試料に一次X線を照射し、大きな取出角と
極めて小さな取出角で、それぞれ、W−Lα線の強度を
測定することによっても、膜厚と濃度を測定することが
できる。しかし、膜厚の影響が極めて小さくなる程度ま
で、取出角を小さくすると、分析装置の構造が極めて特
殊なものになり、その結果、分析装置が高価なものにな
る。
【0006】この発明は上記従来の問題に鑑みてなされ
たもので、基板に含まれている元素と同一の元素を含有
する薄膜の膜厚と濃度を測定する蛍光X線分析方法およ
び装置において、安価な分析装置で、短時間で精度の良
い分析を可能にすることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために、請求項1の分析方法は、まず、基板に含
まれている元素と同一の第1の元素を含有する薄膜を上
記基板の表面に設けた被測定試料に一次X線を照射し、
上記薄膜中の基板に含まれていない第2の元素について
の膜厚の影響が大きい第1の蛍光X線の強度と、上記第
2の元素についての膜厚の影響が上記第1の蛍光X線よ
りも小さく、かつ、第1の蛍光X線とは系列の異なる第
2の蛍光X線の強度とを測定する。これら2つの蛍光X
線の測定強度に基づいて上記膜厚と濃度を求める。
【0008】請求項2の分析方法においては、上記第1
および第2の蛍光X線として、それぞれ、被測定試料か
ら出射される蛍光X線のうち上記第2の元素の硬X線お
よび超軟X線の強度を測定する。なお、この発明におい
て、超軟X線とは、M線およびM線よりも波長の長い
(エネルギの小さい)X線をいい、Wの場合には、波長
が4.4Å〜67.6Åの範囲のX線をいう。
【0009】一方、請求項3の分析装置は、一次X線を
受けた被測定試料からの蛍光X線のうち測定しようとす
る元素の硬X線および超軟X線をそれぞれ分光する第1
および第2の分光素子とを備えている。上記硬X線およ
び超軟X線は、それぞれ、第1および第2の測定器によ
り、そのX線強度が測定される。
【0010】これらの発明によれば、薄膜中に含まれて
おり、かつ、基板に含まれていない第2の元素について
の蛍光X線のうち、硬X線のような膜厚の影響が大きい
第1の蛍光X線の強度と、超軟X線のような膜厚の影響
が小さい第2の蛍光X線の強度を測定するから、これら
第1および第2の蛍光X線の測定強度は、それぞれ、膜
厚および濃度に関して敏感な情報を含んでいる。したが
って、この2つの測定強度に基づいて演算することで、
膜厚と第2の元素の濃度を比較的正確に測定することが
できる。
【0011】また、請求項4の分析方法においては、被
測定試料から出射される蛍光X線のうち、基板および薄
膜中の第1の元素の硬X線の強度と、薄膜中の第2の元
素の超軟X線の強度を測定し、これら2つの測定強度に
基づいて薄膜と濃度を求める。
【0012】請求項5の分析装置は、一次X線を受けた
被測定試料からの蛍光X線のうち第1の元素の硬X線を
分光する第1の分光素子と、上記一次X線を受けた被測
定試料からの蛍光X線のうち測定しようとする第2の元
素の超軟X線を分光する第2の分光素子とを備えてい
る。上記硬X線および超軟X線は、それぞれ、第1およ
び第2の測定器により、そのX線強度が測定される。
【0013】請求項4もしくは5の発明では、基板およ
び薄膜中の第1の元素の硬X線の強度を測定するのであ
るが、この硬X線の強度は、硬X線が薄膜において吸収
されるので、薄膜の膜厚が薄い場合、膜厚が厚くなるに
従い小さくなる。したがって、上記硬X線の測定強度に
は、膜厚に関する敏感な情報を含んでいる。一方、第2
元素の超軟X線の測定強度は、エネルギの小さい超軟X
線が薄膜中で大きく吸収されるから、薄膜の厚さにかか
わらず薄膜のごく表面からのみ出射されるので、濃度に
関しての敏感な情報を含んでいる。したがって、この2
つの測定強度に基づいて演算することで、膜厚と第2の
元素の濃度を比較的正確に測定することができる。
【0014】
【実施例】以下、この発明の一実施例を図面にしたがっ
て説明する。図1において、被測定試料1は、基板11
に含まれている元素と同一の第1の元素と、基板11に
含まれていない第2の元素とを含有する薄膜12を、基
板11の表面に設けたもので、たとえば、Siの基板1
1の表面にWSixの薄膜12を有してなるウエハであ
る。この被測定試料1は薄膜12の膜厚tと組成比
(x)つまりWの濃度が未知の試料である。なお、薄膜
12の膜厚tは、たとえば、400Å〜2500Å程度
の範囲である。蛍光X線分析装置2は、X線管(X線
源)3と、第1および第2の分光素子4A,4Bと、第
1および第2の測定器5A,5Bと、演算器6とを備え
ている。第1および第2の測定器5A,5Bは、それぞ
れ、第1および第2のX線検出器8A,8Bと、第1お
よび第2計数回路部9A,9Bとを備えている。
【0015】X線管3は、被測定試料1の薄膜12の表
面に向かって、一次X線B1を出射するものである。一
次X線B1を受けた被測定試料1は、原子が励起され
て、被測定試料1に含まれている元素固有の蛍光X線B
2を発生する。
【0016】上記両分光素子4A,4Bは、真空雰囲気
に保持された分光室7内に収納されている。第1の分光
素子4Aは、たとえばLiFの分光結晶からなり、被測
定試料1からの蛍光X線B2のうち、測定しようとする
元素つまりWの硬X線であるW−Lα線B3を分光す
る。一方、第2の分光素子4Bは、たとえば、シリコン
基板に炭素とニッケルの層を交互に多数積層した人工格
子からなる。この第2の分光素子4Bは、被測定試料1
からの蛍光X線B2のうち、Wの超軟X線であるW−N
x線B4を分光する。これら第1および第2の分光素子
4A,4Bで分光された、W−Lα線B3およびW−N
x線B4は、それぞれ、第1および第2のX線検出器8
A,8Bに入射する。なお、W−Nx線B4の取出角β
2は、W−Lα線B3の取出角β1よりも小さく設定さ
れている。
【0017】上記第1および第2のX線検出器8A,8
Bは、それぞれ、入射したW−Lα線B3およびW−N
x線B4を検出して、検出出力e1,e2を第1および
第2計数回路部9A,9Bに出力する。第1および第2
計数回路部9A,9Bは、それぞれ、検出出力e1,e
2をカウントして、W−Lα線B3およびW−Nx線B
4の強度を測定信号x1,x2として演算器6に出力す
る。演算器6は、上記測定信号x1,x2を受けて、W
−Lα線B3およびW−Nx線B4の測定強度に基づい
て、薄膜12の膜厚tおよびWの濃度を求める。
【0018】つぎに、ファンダメンタルパラメータ法を
用いた分析方法について簡単に説明する。まず、膜厚t
および濃度が既知の標準試料を複数種類用意し、これら
の標準試料について、図1の分析装置2を用いて、W−
Lα線B3およびW−Nx線B4の強度を両測定器5
A,5Bにより測定する。これらの測定強度と膜厚tお
よび濃度に基づいて、測定強度から理論強度への変換式
を求める。
【0019】ついで、膜厚tおよび濃度が未知の被測定
試料1について、分析装置2を用いてW−Lα線B3お
よびW−Nx線B4の強度を測定する。この測定強度を
前述の変換式により理論強度に変換する。この後、膜厚
tと濃度によりX線強度が一義的に定まる理論強度式
に、適当な膜厚tと濃度とを与え、算出された理論強度
が、測定強度を変換した理論強度に合致するか否かを計
算する。合致しなければ、膜厚tを変えて再び濃度を与
えて計算を繰り返し、この計算を繰り返すことにより、
膜厚tおよび濃度を求める。なお、この演算は、膜厚t
および濃度を未知数とするW−Lα線B3の理論強度に
関する第1の方程式と、W−Nx線B4の理論強度に関
する第2の方程式からなる連立方程式を解き、膜厚tお
よび濃度を求める。
【0020】つぎに、この分析方法において、蛍光X線
B2のうちW−Lα線B3とW−Nx線B4を用いてい
る理由を説明する。図2に示すように、W−Lα線B3
は比較的波長が短く(約1.48Å程度)、つまりエネ
ルギが大きいので、薄膜12の最深部12aから発生し
たものも薄膜12にあまり吸収されず、そのため、薄膜
12を透過して、薄膜12の全層から出射される。した
がって、W−Lα線B3の強度は、図3の実線で示すよ
うに、薄膜12の膜厚tが大きくなるに従い大きくな
り、膜厚tの変化に大きな影響を受ける。一方、図2の
W−Nx線B4は、波長が極めて長く(約55Å程
度)、つまりエネルギが極めて小さいので、薄膜12の
深いところで発生したものが薄膜12に吸収され、その
ため、薄膜12の表面層からのみ出射される。したがっ
て、W−Nx線B4の強度は、図3の破線で示すよう
に、薄膜12の膜厚tの影響がW−Lα線B3よりも極
めて小さく、図4に示すように、Wの濃度の影響を大き
く受ける。
【0021】このように、図3のW−Lα線B3の測定
強度は、膜厚tの影響が大きいので、膜厚tに関する確
かな情報を含んでおり、一方、W−Nx線B4の測定強
度は、膜厚tの影響が小さいので、濃度に関する確かな
情報を含んでいる。つまり、膜厚tの変化はW−Lα線
B3の測定強度の大きな変化となって現われ、一方、濃
度の変化はW−Nx線B4の測定強度の変化となって現
れる。したがって、W−Lα線B3およびW−Nx線B
4の強度を測定することにより、膜厚tおよび濃度を正
確に測定することができる。
【0022】ところで、この発明は、必ずしも、W−L
α線B3およびW−Nx線B4の強度を測定する必要は
なく、図1の基板11に含まれていない第2の元素
(W)についての膜厚の影響が大きい第1の蛍光X線
(B3)の強度と、膜厚の影響が小さく、かつ、第1の
蛍光X線(B3)とは系列の異なる第2の蛍光X線(B
4)の強度とを測定し、これら2つの測定強度に基づい
て膜厚tおよび濃度を求めてもよい。たとえば、薄膜1
2を構成する元素の種類(組成)によっては、硬X線
(K線またはL線)および超軟X線(M線またはN線)
の強度を測定して、これら2つの測定強度に基づいて分
析してもよい。その一例として、薄膜12がMoSix
である場合には、Mo−Lα線およびMo−Mα線の強
度を測定し、これら2つの測定強度に基づいて分析して
もよい。
【0023】しかし、この実施例のWSixの薄膜12
については、W−Mα線のような軟X線では、エネルギ
が大きすぎて、その強度が膜厚tの影響を大きく受ける
ので、僅かな測定誤差が濃度の大きな誤差となって現れ
る。したがって、WSixの薄膜12については、W−
Mα線を用いるのは好ましくなく、一般に、N線および
N線よりも波長の長い超軟X線を用いるのが好ましい。
【0024】ところで、上記実施例では、W−Nx線B
4の取出角β2をW−Lα線B3の取出角β1よりも若
干小さく設定している。そのため、W−Nx線B4は、
より一層、WSixの薄膜12中に吸収され易い。した
がって、W−Nx線B4の強度は、膜厚tの影響をより
一層受けにくくなるので、より正確な分析結果を得るこ
とができる。
【0025】また、上記実施例では、第1の蛍光X線の
強度として、蛍光X線B2のうち第2の元素(W)の硬
X線(たとえばW−Lα線)B3の強度を測定した。し
かし、この発明では、第1の蛍光X線として蛍光X線B
2のうち第1の元素(Si)の硬X線の強度を測定して
もよい。この原理を図5および図6に基づいて説明す
る。
【0026】図5において、第1の元素Siについての
硬X線であるSi−Kα線B5には,薄膜12中のSi
から出射されるSi−Kα線B5sと、基板11中のS
iから出射されるSi−Kα線B5bとがある。上記薄
膜12からのSi−Kα線B5sは、図6(a)のよう
に、薄膜tが薄い範囲においては、膜厚tが厚くなるの
に従い、そのX線強度が大きくなり、薄膜tが所定値よ
りも厚くなると、そのX線強度が飽和して一定になる。
一方、図6(b)のように、基板11からのSi−Kα
線B5bは、薄膜12に吸収されるので、膜厚tが薄い
範囲においては、膜厚tが厚くなるのに従い、そのX線
強度が著しく小さくなり、膜厚tが所定値よりも厚くな
ると、そのX線強度が0になる。そのため、被測定試料
1全体から出射されるSi−Kα線B5は、図6(a)
と図6(b)を合成した図6(c)のように、膜厚tが
ごく薄い(たとえば、10Å〜 5,000Å)範囲において
は、薄膜tが厚くなるのに従って、そのX線強度が小さ
くなる。したがって、膜厚tが薄い場合、Si−Kα線
B5の測定強度には、膜厚tに関しての確かな情報が含
まれているので、W−Lα線B3(図1)に代えて、S
i−Kα線B5のX線強度を測定してもよい。
【0027】この図5の実施例の場合は、図1の第1の
分光素子4AがSi−Kα線B5(図5)を分光し、第
1のX線検出器8AがSi−Kα線B5(図5)を検出
する。その他の構成は、上記図1の実施例と同様であ
り、その詳しい説明および図示を省略する。
【0028】つぎに、図7に示すように、Si基板11
の上に、SiO2 の薄膜12AとWSixの薄膜12を
積層した被測定試料1の場合について説明する。
【0029】この場合において、図7(a)のように、
第1の蛍光X線としてSi−Kα線B5のX線強度を測
定すると、Si基板11からのSi−Kα線B5bは、
中間のSiO2 薄膜12Aにおいても吸収される。その
ため、SiO2 薄膜12Aの膜厚が変化すると、WSi
x薄膜12の厚さが一定でも、全体のSi−Kα線B5
のX線強度が変化する。したがって、図7(a)の方法
では、SiO2 薄膜12Aの厚さが既知の場合には、W
Six薄膜12の膜厚tとWの濃度を求め得るが、Si
2 薄膜12Aの厚さが未知である場合には、WSix
薄膜12の膜厚tとWの濃度を正確に求めることができ
ない。
【0030】これに対し、第1の蛍光X線として図7
(b)のW−Lα線B3のX線強度を測定する場合(図
1の実施例の場合)は、W−Lα線B3がSiO2 薄膜
12Aよりも表面で発生するから、W−Lα線B3の強
度がSiO2 薄膜12Aの膜厚に影響されない。したが
って、この場合は、SiO2 薄膜12Aの厚さ等が未知
であっても、つまり、WSix薄膜12の下に他の薄膜
などがあっても、WSix薄膜12の膜厚tと濃度を正
確に測定することができる。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、薄膜中に含まれており、かつ、基板に含まれていな
い第2の元素についての蛍光X線のうち、硬X線のよう
な膜厚の影響が大きい第1の蛍光X線の強度と、M線ま
たはM線よりも波長の長い超軟X線のような膜厚の影響
が小さい第2の蛍光X線の強度を測定するので、2つの
測定強度に基づいて、膜厚と濃度を正確に測定すること
ができる。同様に、第1の元素の硬X線の強度と、第2
の元素の超軟X線の強度に基づいて、膜厚と濃度を求め
た場合にも、これらを正確に測定することができる。
【0032】また、演算器により、公知のファンダメン
タルパラメータ法を用いて容易に計算することができる
から、従来のラザフォードバックスキャタによる測定と
異なり、短時間で分析ができる。さらに、取出角を極端
に小さくする必要もないから、分析装置の形状が特殊な
形状になることもないので、分析装置が著しくコストア
ップすることもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例を示す蛍光X線分析装置の
概略構成図である。
【図2】この発明の原理を示す被測定試料の拡大断面図
である。
【図3】蛍光X線の強度と、膜厚およびWの濃度との関
係を示す特性図である。
【図4】W−Nx線の強度と、膜厚およびWの濃度との
関係を示す特性図である。
【図5】他の実施例の原理を示す被測定試料の拡大断面
図である。
【図6】Si−Kα線のX線強度と膜厚の関係を示す特
性図である。
【図7】WSix薄膜の下にSiO2 薄膜がある場合の
測定原理を示す拡大断面図である。
【図8】従来の分析方法を示す被測定試料の拡大断面図
である。
【符号の説明】
1…被測定試料、3…X線源、4A…第1の分光素子、
4B…第2の分光素子、5A…第1の測定器、5B…第
2の測定器、11…基板、12…薄膜、B1…一次X
線、B2…蛍光X線、B3…硬X線(第1の蛍光X
線)、B4…超軟X線(第2の蛍光X線)。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板に含まれている元素と同一の第1の
    元素と、上記基板に含まれていない第2の元素とを含有
    する薄膜を上記基板の表面に設けた被測定試料における
    上記薄膜の膜厚と第2の元素の濃度を測定する蛍光X線
    分析方法であって、 上記被測定試料に一次X線を照射し、上記第2の元素に
    おける膜厚の影響を大きく受ける第1の蛍光X線の強度
    と、上記第2の元素における膜厚の影響が上記第1の蛍
    光X線よりも小さく、かつ、第1の蛍光X線とは系列の
    異なる第2の蛍光X線の強度とをそれぞれ測定し、これ
    ら2つの蛍光X線の測定強度に基づいて上記膜厚および
    濃度を求める蛍光X線分析方法。
  2. 【請求項2】 基板に含まれている元素と同一の第1の
    元素と、上記基板に含まれていない第2の元素とを含有
    する薄膜を上記基板の表面に設けた被測定試料における
    上記薄膜の膜厚と第2の元素の濃度を測定する蛍光X線
    分析方法であって、 上記被測定試料に一次X線を照射し、上記被測定試料か
    ら出射される蛍光X線のうち上記第2の元素の硬X線の
    強度と、上記第2の元素のM線またはM線よりも波長の
    長い超軟X線の強度をそれぞれ測定し、これら2つの蛍
    光X線の測定強度に基づいて上記膜厚および濃度を求め
    る蛍光X線分析方法。
  3. 【請求項3】 一次X線を被測定試料に照射するX線源
    と、上記一次X線を受けた被測定試料からの蛍光X線の
    うち測定しようとする元素の硬X線を分光する第1の分
    光素子と、上記一次X線を受けた被測定試料からの蛍光
    X線のうち測定しようとする上記元素のM線またはM線
    よりも波長の長い超軟X線を分光する第2の分光素子
    と、上記硬X線の強度を測定する第1の測定器と、上記
    超軟X線の強度を測定する第2の測定器とを備えた蛍光
    X線分析装置。
  4. 【請求項4】 基板に含まれている元素と同一の第1の
    元素と、上記基板に含まれていない第2の元素とを含有
    する薄膜を上記基板の表面に設けた被測定試料における
    上記薄膜の膜厚と第2の元素の濃度を測定する蛍光X線
    分析方法であって、 上記被測定試料に一次X線を照射し、上記被測定試料か
    ら出射される蛍光X線のうち上記第1の元素の硬X線の
    強度と、上記第2の元素のM線またはM線よりも波長の
    長い超軟X線の強度をそれぞれ測定し、これら2つの蛍
    光X線の測定強度に基づいて上記膜厚および濃度を求め
    る蛍光X線分析方法。
  5. 【請求項5】 一次X線を被測定試料に照射するX線源
    と、上記一次X線を受けた被測定試料からの蛍光X線の
    うち第1の元素の硬X線を分光する第1の分光素子と、
    上記一次X線を受けた被測定試料からの蛍光X線のうち
    測定しようとする第2の元素のM線またはM線よりも波
    長の長い超軟X線を分光する第2の分光素子と、上記硬
    X線の強度を測定する第1の測定器と、上記超軟X線の
    強度を測定する第2の測定器とを備えた蛍光X線分析装
    置。
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