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2005年9月号
プロセスの複雑化に伴い
IMの導入が加速
Alexander E. Braun
Senior Editor
　65nm以降になると新材料や新構造が導入され、プロセスウィンドウがますます小さくなるため、真のAPCを実現するためにはIMが必要である。IMのコンセプトはCMPで実証されており、これに続いてエッチングでも導入が進んでいる。しかし、エンドユーザーは計測器をプロセス装置に組み込む必要性と経済的な効果の現実的なバランスを求めているようだ。
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　65nmノード以降になると、装置組み込み型計測器（IM：Integrated Metrology）はAPC（Advanced Process Control）に不可欠なものになるだろう。CMP（Chemical Mechanical Planarization）工程の膜厚や光学特性の測定に使われており、IMはプロセスの特性評価や検証ですでに重要な位置を占めている。製品を早く立ち上げるためにプロセスの特性評価を迅速に行う重要性が高まってきており、これまで以上にウィンドウが小さく複雑になっていくプロセスを維持するためにAPCが必要不可欠になる。図1に示すように、IMがその役目を担うようになるであろう。
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CMP工程からIMが導入

　今やIMとCMPは切れない関係にある。米Applied Materials（AMAT）社CMP部門のジェネラルマネージャLiang Chen氏は、ウェーハ間再現性に潜在的な問題をエンドユーザーが抱えていると見ている。そのため、装置サプライヤは90nm以降のプロセスで解決しなければならないものと考えている。「CMPで重要なのは除去性能である。我々が現在取り組んでいる課題は、ウェーハ間のCMP除去性能をどのように一定に保つかということだ。つまり、デバイスの設計ルールがより厳しくなっていっても、デバイス間またはダイ間、ウェーハ間の電気特性をどのように一定にするかということだ。これには閉ループプロセス制御を使った最先端のIMを使わなければ、これらの問題を克服することはできない」。
　CMP装置にIMモジュールが使用されることはよくあることだが、IMが持っている情報は有効に使われなければならない。CMP工程には大きく絶縁膜CMPとCu-CMPの2種類ある。絶縁膜CMPの場合ではウェーハ間の再現性に着目する。最初のウェーハをプロセス前に測定を行い、CMPプロセスを実施する。CMP処理後に再びウェーハを測定する。この情報はインラインで収集し、解析が行われる。CMP後の測定、すなわちCMPプロセスの出来映えが決まるため、制御アルゴリズムが欠かせない。2番目のウェーハが処理される時、除去範囲の最適化が行われ、3番目のウェーハが処理するときには2番目のウェーハの情報が使われる。これによりウェーハ間の再現性が確保される。
　Cu-CMP工程の場合はCMPに入ってくるウェーハの形状が異なるため、IMがウェーハをin-situで測定し、除去レートを調整しなければならない。つまり、Cu-CMPではバリア層までCuを除去し、バリア層を絶縁膜まで除去をする。Cuの選択性と除去性能が重要であるため、in-situ測定を行ってリアルタイムに形状制御を行わなければならない。
図1　 装置組み込み型計測器の導入には複数の要因が見られるが、300mm工場の生産性という要因が工場全体のAPCを最も強力に推進している
（出典：米Nanometrics社）

IM、エッチング、データ

　半導体業界ではIMをエッチング装置に導入しようとしている。「光散乱計測器はエッチングの計測手段の1つである」とAMATのエッチング部門のシニアテクニカルスタッフのJohn Yamartino氏は語る。コンパクトなだけでなくスピードの点でも優れている。1箇所あたり約数秒で計測することができ、真空にする必要もない。
　現在の光学CD計測の能力は十分であるが、将来的にデータに基づいてCD制御を行うことは難しい。そのためには全ての種類のばらつきやばらつきの原因となっているものを調べ、特徴付けや定量化を行わなければならない。例えば、ゲートエッチングのフィードフォワード制御 （つまりリソグラフィの結果からエッチングを行うときにどのように補正をかけるかということ） は、成熟している。しかし、精度への要求が厳しくなり、新たな現象が現れてきたため、これは非常に難しくなってきた。材料のばらつきやロット間のばらつき、プロセス装置の安定性まで考慮しなければならなくなった。ばらつきの原因となっているものを定量化および検証を行って、計測装置メーカーは柔軟なシステムを開発し補正内容をコントローラに組み込まなければならない。しかし、これを行うためには大量のデータが必要となり、IMはこのデータを完全に処理できる能力が要求されている。
　微細な構造を処理する場合、もう1つの難しい課題となっているのは、累積効果が歩留まりに即座に影響することである。これらの問題はプロセスごとに解決しなければならない。
ユーザーは各装置をコンポーネントとして取り扱い、データ転送や制御方法を確立して工場内のAPCをセットアップしなければならない。加えて制御は装置上で行わなければならない。これにより累積効果を管理しながら、特殊なステップの制御を行うこともできるようになる。この情報は広範囲のプロセス制御を行うためホストに送信される。
図2　IMを導入することにより、異常検知までの時間や投資額、フットプリント、サイクルタイムなどが削減される。in-situフォトレジストゲートアプリケーションで3万枚/月のウェーハを処理した場合をグラフに示している
（出典：米Lam Research社）
　「IMは我々のAPC装置制御戦略の一部だ。従来の方法ではエッチング装置やCVD装置、リソグラフィ装置からの信号の相関付けを行って、ウェーハの歩留まりを最大限に上げる方法が採られていた」と米Lam Research社 のFEOL /BEOLエッチンググループのバイスプレジデントRick Gottscho氏は語る。いくつかの例外は別にして、各プロセス工程と最終的なウェーハ歩留まりの結びつきが弱かったため、ほとんど失敗に終わってきた。要因が多すぎたためだ。図2に示すようにリソグラフィ工程とエッチング工程の間やエッチング工程と成膜工程の間、成膜工程とリソグラフィ工程の間など多数のプロセス工程間に相互作用がある。
　このようなプロセス工程間の関連づけはソフトウエアで行うが、主要のアプローチは装置のセンサーデータを使って各プロセスの出来映えを保証することである。装置メーカーはエンドユーザーの蓄積されたノウハウを信じて、プロセスの要求事項やスペックを作成している。もし装置がスペック内に収まっているならば、よい歩留まりが得られるであろうと予想している。

IMまたはスタンドアローンか

　半導体業界はIMにするか、スタンドアローンの計測にするかという問題に悩んでいる。IMをクリーントラックやエッチング装置に搭載すべきだろうか？一見するとスタンドアローンにするよりも有利なように見える。IMのフィードフォワードに着目してみると、リソセルから搬出された各ウェーハを計測し、ウェーハ面内で複数点の計測を行って、ウェーハ間で補正あるいはウェーハ面内で補正することは経済的に適していると言える。
　それから測定ウェーハへ情報のフィードバックを行い、もし測定結果がスペックから外れていれば、フィードフォワードの代わりにレシピの補正を行う。大失敗でなければリソのリワークは避けるべきである。それは工場の中で最も高価な工程で、多くのエッチング装置に情報を供給しているためである。もし、リソセル内で計測を行いリワークが必要となった場合、この最も高価な装置がボトルネックになる。そのため、ほとんどの場合エッチング装置の方を修正する方法が採られる。
　IMをエッチング装置に搭載すると物流が容易になる。全ての機能が内蔵されているため迅速な調整を行うことができ、ホストアクセスやピア・ツー・ピア通信を避けることが可能になる。さらにエッチング装置には異常検知として使用されている。何かがおかしい場合、異常検知から異常発生までのウェーハ枚数を最小限に抑えることができる。最悪の場合でも1枚のウェーハをスクラップするだけで済む。スタンドアローン計測装置の場合、異常検知から異常発生までウェーハ枚数は45枚程度である。
まもなくDFMが主流になるため、
計測器はデータ転送以上の機能を
備えなければならない
ばらつき制御

　「IMは『integrated actionable module』と呼び方を変えるべきだ。それはIMが単にデータ転送できるだけでなく、何に着目してどうするべきかを示すことができるからだ」と米FEI社のプロダクトマーケティング担当のバイスプレジデントAnantha Sethuraman氏は語った。また同氏は、まもなくDFM（Design-For-Manufacturing）が主流になるため、計測器はデータ転送以上の機能を備えなければならないと付け加えた。どのアクションをとるべきか、製造ラインで許容できるプロセスマージンはどれくらいか、ドリフトはどの程度大きいか、ということが分かる。
　業界全体がウェーハIDに関する要求事項を満たすように努力をしている。検査装置メーカーや計測装置メーカーと同様に、全てのウェーハメーカーはウェーハにIDを振り、装置メーカーはウェーハIDリーダーを提供している。Sethuraman氏は、IMを成功させるためには「処理チェンバ」にもIDを振らなければならないと考えている。「工場内には例えば25から30の装置がある。それぞれに3チャンバずつあるとすると合計で75チェンバになる。それらからIMの情報が送られ、何かの調子がおかしくなりドリフトが発生したとしても、どのチェンバで発生しているかを特定することが可能になる」（同氏）。IMはAPCとリンクすべきである。それはAPCシステムが双方向にデータを転送することが可能で、例えば、特定のチャンバのあるウェーハIDで発生したPVD（Physical Vapor Deposition）工程の問題にどのように対処すべきかを示すことができる。
　米KLA-Tencor社のパラメトリックソリューショングループのマーケティング担当のバイスプレジデントBrian Trafas氏は、FEOLで行われているトランジスタ制御技術について述べている。「32nmノード全般に渡って、主にArFリソグラフィがパターンニング技術の鍵となる」。デザインが複雑になると、互いに相互作用が発生するようになる。つまり、第二世代もしくは第三世代のOPCプロセスウィンドウが小さくなり、生産のラインにおける歩留まりパラメータに強い影響を与えることになる。「波長と転写サイズのギャップが大きくなり、設計ノードごとにプロセスウィンドウが約30％小さくなっていく」と同氏は付け加えた。
　IMはこれらの問題を解決することができる。例えば、分光CD計測を使ってゲートCDのばらつきに対応する方法がある。フォトレジストのトリミングアプリケーションでウェーハ間を制御することを考えている人もいる。65nmでは、高精度にゲートレイヤーのCD制御を行うためにロットベースからウェーハベースへと移行した。45nmへ移行するにあたり、付加的な計測情報が必要になっている。ロットベースのCD情報に代わり、ロット-ウェーハベースのCD情報が必要になっている。またCDそのものだけでなく、CDに加えて形状や形、表面荒れなどの情報も必要になっている。図3に示すように、これらの情報はフィードフォワードやフィードバックを行うのに必要な情報である。これはCD-SEMと光学CD測定器を組み合わせて、より包括的にCDを制御しなければならないことを意味している。
図3　最近、スタンドアローンの光散乱計測器がゲートとSTIの寸法制御を行う目的でフィードフォワードAPCアプリケーションに使用されている。これらのアプリケーションとSEMを比較すると、装置組み込み型計測器はサイクルタイムを大幅に削減できるという利点がある
（出典：米KLA-Tencor社）
　SEMや画像処理技術が45nmノードへ対応している間に、一括して形状や形、表面荒れなどの情報が得られるように、アルゴリズムの改良が行われている。複数の装置の装置間差をなくすだけでなく、計測精度の基準に関する関心も高まっており異なる計測技術で相関を調べることも行われている。例えば、光学CD測定値とCD-SEMの測定値の相関関係を調べたりする。
　「90nmから65/45nmへ移行するにあたり、ロットやウェーハ、フィールド、ダイレベルで多変量の制御を行うためには、より多くの計測データが必要になる」とTrafas氏は語る。同氏によると、ロットベースで重要なプロセスステップのデータだけに着目するやり方は十分でないという。300mmのウェーハでは、ウェーハやフィールド、ダイベースでのデータコレクションが増えてきている。このような多変量制御を伴う解析には、高度なデータマイニングが必要である。この方法を使うとデータから情報やノウハウ、数値に基づいて判断することができる。従来は装置の解析に使われてきたが、それは単に計測値を出力するだけでしかなかった。プロセス装置の状態やウェーハのどの場所で異常が発生しているかという解析を行うことが可能である。歩留まりや性能データに伴ってこの情報が使用されると、歩留まり関連の計測を増やすことができる。また、サンプル計画の最適化や計測コストの管理にも使うことができる。「我々の目的は、1回の歩留まり関連の計測のコストをできるだけ低く抑えることである」とTrafas氏は言う。

IMを導入すべきか？

　「装置が不安定なプロセスを行っていない場合、多くの人はIMの導入に躊躇するだろう」と米Nanometrics社の社長兼CEO John Heaton氏は語る。CMP工程にIMを導入して成功したため、IMにおける議論を行うときの主な論点はここにあった。 Heaton氏は、65nm以降では、リソクラスタにも同じ事が当てはまると考えている。パターン形成プロセスを制御していくことは最重要課題であるため、フィードバックを即座に行うためにIMをプロセス装置に搭載する必要がある。
　工場全体の経済的な要因で測定方法が決められる傾向にある。レチクルやプロセスフローが変更されるとすべてのプロセス装置で確認しなければならない。デバイスの1〜2レイヤーのレチクルを変更したら、テストウェーハを使ってプロセス特性を確認しなければならない。これには計測システムをの検証も必要となる。さらに、リソクラスタもしくは他のプロセス装置で処理される時間は6分程度で行うことが必要になっている。これは、全くボトルネックがないもしくは他のウェーハを処理しないということが前提とした場合の話である。非常に高価なプロセス装置の場合、ウェーハがスタンドアローンの装置に入りプロセス装置にデータを返すまでのターンアラウンド時間によりスループットが10％少なくなってしまう。IMが重要になってきているのは、プロセス制御という観点からではなく生産性を維持するという観点から来ている。
　45nmになると各プロセス工程のばらつきが積み重なると許容できない状況を生み出すだろう。プロセスを改善するために、装置組み込み型計測器もしくはスタンドアローン型計測器からデータを取得するような製品がこれまでなかった。これが大規模にIMを導入する障害となっていた。計測システムがすべてのウェーハの測定を行い、これらの情報がプロセス装置で活用されるならば、オーバーレイやCD、膜厚などの制御がよくなるであろう。データを活用し、管理を行わなければ十分ではない。特に45nmのリソグラフィではIMが必要になるだろう。
　イスラエルのNova Measuring Instruments社のマーケティングディレクタ Bents Kidron氏はこの意見に賛成している。「IMはCMPからエッチングやリソグラフィへ広がっていき、プロセスデータは前後の工程で使われる用になるだろう」（Bents氏）。　
　Kidron氏は、IMがスタンドアローン計測器と同様の課題を抱えていると考えている。完全に形状解析や三次元、ダイ内部の測定を行うためには、高性能なアルゴリズムが必要になる。同氏は将来の技術ノードで解決できないような問題が残るとは考えていない。また、光散乱計測器が32nm以降で求められるソリューションになると見ている。「フィードフォワードやフィードバックできるAPCが受け入れられてきている。制御エンジンも存在している。時が経つにつれて性能も良くなっていくであろう」と述べている。
　すべてのウェーハを測定しリアルタイムでデータを得ることが可能ならば、厳密に管理が必要なプロセスではフィードフォワードやフィードバックという運用が可能になるだろう。特に65/45nmではリソグラフィの限界を広げるために、光学CDアプリケーションは高精度に制御されなければならない。IMが広く普及されるようになるのは45nmになる。それは45nmでリソグラフィの転換期になるためである。光学リソグラフィにとって45nmノードが最後の試みとなるだろうというのが、現在の大方の見方になっている。45nm以降になると、光学リソグラフィに替わってEUVリソグラフィまたは電子ビームなどの新しい技術が必要になってくるであろう。
光学リソグラフィが
45nmで転換期を迎える頃に
IMの導入が大幅に進む
IMと価値

　「IMはプロセス装置のごく自然に発展した形で、デバイスメーカーと装置メーカーの双方に大きな付加価値をもたらすことが可能になる。エッチングプロセスの場合、多くの顧客は65nmからIMが導入される時期と考えている。残りの顧客は45nmから導入されると見ている。スループットや稼働時間、MTTRなどの観点から計測器がプロセス装置の一部に組み込んだ方がよい」と東京エレクトロンのエッチグループの装置組み込み型計測プロダクト担当マネージャ Radha Sundararajan氏は述べる。
　米Timber Technology社のマーケティング担当ディレクタのRobert Monteverde氏は、「IMは今が最もよいタイミングだと考えている。我々の顧客は110/90nmのリソグラフィIMやエッチングIMでODP（Optical Digital Profilometry）が生産ラインで効果的に使用されている」と述べている。さらに同氏は、「工場内の異なる2つのグループがIMの恩恵を受けている。1つはプロダクショングループが工場内のサイクルタイムの改善やスクラップウェーハの削減にIMを使用している。もう1つは装置エンジニアで、IMデータをフォーカスやドーズ量、ベーク温度などの装置パラメータの改善に使用している」と付け加えた。

組み込み検査装置

　米Rudolph Technologiesy社のマーケティング担当マネージャChristopher Morath氏は、組み込み検査の利点について次のように述べている。「プロセスを行った後にすべてのウェーハを検査すれば、プロセス異常の警告を早期に発見することできる。これによりあらゆるプロセス異常のあるウェーハの枚数を大幅に削減することが可能になる。検査にかける時間を少なくすることにより、早く装置のトラブルシューティングを行うことが可能になり、迅速に正常状態に復旧させることができる。しかも、ウェーハをスクラップにするかリワークを行うかなどの意志決定を自動的かつ瞬時に行えるようになるため、無駄なリソースや不良ウェーハの発生を避けることが可能になる。リソグラフィプロセスでは特に重要である」。
　米August Technology社のマーケティング担当シニアディレクタ Rajiv Roy氏は、「一般的に検査における課題は、欠陥データを非常に多く収集しなければならないことだ。これらのデータのよく見直しを行って疑似欠陥か本当の欠陥かどうかを分別しなければならない。これを行うには、ADC（Advanced Defect Classification）が必要になる。最先端のものでは70％から80％、場合によっては95％以上必要になることもある」と述べている。
　IMによりプロセスの微調整を行うことが可能になり、変数やパラメータをWafer-to-Wafer、Run-to-Runまたはウェーハ内で変更することができる。検査の場合はモデルを検査ごとに変えるようなことはできない。プロセスパラメータを微調整するのとは異なり、モデルは装置状態をモニターするために欠陥検出や分類を行い、インラインで使用することに意味がある。検査は装置をモニターするために行う。例えばレジスト塗布装置の場合、レジストがノズルから誤った方向に出ていないかどうかを調べるために検査を行う。
　IMと同様にアルゴリズムやソフトウエアが複雑であるため、スタンドアローン検査装置の信頼性はまだ十分とは言えない。データ量が膨大であるため接続しているプロセス装置を完全に停止させてしまうかもしれない。これに対処するためにはプロセス装置から分離する必要がある。
　IMを装置に取り付けて稼動させる、ただの別モジュールであると考えているユーザーもいる。どのような測定器でも、特にIMは装置内にあるシステムとして高い精巧さと専門的なサポートを要する非常に複雑なものである。IMは今や生産における機器の一部であり、プロセス制御を実現しようとする夢だけではなく工場の稼動を効率的に行うことで大きな経済的な利潤を上げるものになっている。
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Applied Materials www.appliedmaterials.com
August Technology www.augusttech.com
FEI www.feicompany.com
KLA-Tencor www.kla-tencor.com
Lam Research www.lamrc.com
Nanometrics www.nanometrics.com
Nova Measuring Instruments www.nova.co.il
Rudolph Technologies www.rudolphtech.com
東京エレクトロン www.tel.com
Timbre Technologies www.tel.com/jpn/about/locations/us/tti.htm

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