エンジニアは、測定技術をアプリケーションの一つの機能と見なさなければならない。我々はもはや一つのツールで全てのニーズを満たす光学顕微鏡やCD-SEMの安穏とした世界にはいないのである。開発や立ち上げにおいて、量産で使用されているサンプリングや測定方法が必要となる可能性がある。45nm以降では、量産向けに立ち上げと調整を行うエンジニアにとって測定技術はますます複雑化してゆく。これによってますます付加的で複雑なデータに対する要求が急速に高まるだろう。

　パラメトリック測定は課題に直面しているが、リソグラフィツールの制御課題はさらに大きい障害となる可能性がある。米KLA-Tencor社のパラメトリックソリューショングループ統括責任者であるKevin Monahan氏は、「180nmでサブ波長体制への挑戦を始めた」という。「OPCは180nmでは単純だった。130nmでは、同じフィールドで多数のデザインルールがあり、サブ解像度アシストパターン、二次セリフパターニングなどに伴い、全てが複雑になった。90nmから65nmにおいては、波長とCDのずれが大きくなったため、さらに露光が困難になった」と語る(図1)。

　130nmから90nm、さらに65nmへの移行は、パターンをよりシンプルで露光しやすくしたコンジョイントDFM(Design for Manufacturing)とAPC(Advanced Process Control)によって後押しされた。多変量APCと組み合わせることによって、歩留まりウィンドウ内での制御が強化された。45nmノードは液浸リゾグラフィによる「解像度サポート」を得ることができる。32nmと22nmノードでは、EUV が予測以上に加速しない限り、おそらくダブルパターニングが採用されるだろう。ダブルパターニングでは、1回目の露光ステップとハードマスクエッチ、2回目の露光ステップとハードマスクエッチのように、2回の露光とエッチングが必要となる。こうして基本構造が出来上がったのだが、そのためにそれぞれのステップでオーバーレイが発生し、同一レイヤー内ではなくレイヤー間でアライメントの問題が発生する。

　Monahan氏は、「2つのパターンとそのCDの間にオーバーレイエラーがある状態でパターニングを行ったとする。そのオーバーレイエラーはそのままCDエラーとなるので、オーバーレイ制御がCD制御と同じほど重要になる。以前は、オーバーレイ制御はデザインルール要求の30％であったが、ダブルパターニングにおいてはデザインルールの10％かそれ以下にまで下がる。現在においては、いかなるリソグラフィツールもこれを実現することは不可能である」と語る。

　最先端のリソグラフィツール(ドライ)では、装置単体でオーバーレイ性能4nm以下を達成している。現在、液浸リソグラフィツールのオーバーレイ性能は8nmである。32nmのダブルパターニングで要求されるレベルに到達するには、最小3nm(量産では2nm)が要求され、現在の装置単体でのオーバーレイの精度は4倍ほど改善されなければならない。

　6nmを達成するNA1.35の液浸リソグラフィツールなどがロードマップに記載されているが、それでもなおドライツールよりも劣っている。液浸リソグラフィにおけるオーバーレイ問題のほとんどは熱に関連しており、この影響はウェーハが早く処理されるに連れて悪化し、スループットを制限してしまう。さらに、気化冷却によって熱不均一性が生じてしまう。

　数年前、対処すべきオーバーレイの問題は3つあった。装置側の要因、マーク側の要因、そしてモデル化されていないエラーによるものである。従来のボックスインボックスのオーバーレイターゲットでも装置側の要因は低減することが可能であった。オーバーレイ測定における標準グレーチングターゲットへの移行はプロセス頑健性の必要性から生じた。これらのターゲットはディッシングやCMP(Chemical Mechanical Planarization)処理中に起こる浸食を削減するために使用されるダミー構造に似ており、歪みに対して高い抵抗力がある。さらに、オーバーレイツールの画像フィールドではより多くのパターンが提示され、SN 比および基本性能は良くなる。

　モデル化されていないエラーに対応するため、ミクロAIMターゲットと呼ばれる微小グレーチングが使用される。これらのミクログレーチングは、時にはダイの中などフィールド内の多くの場所へ入り込み、実際のオーバーレイをはっきりと表示し、結果的にモデル化されていないエラーを低減することがある。AIMグレーチングターゲットをリソグラフィフィールドの四隅に置くことは可能であるが、中心に近い場所に置くと、その場合に何が起こるかを表す手助けとなる。

　もうひとつのオーバーレイ問題は、現在のリソグラフィプラットフォームがデュアルステージを採用しているということに起因している。デュアルステージでは、一つのステージでドライ測定を行いながら、もう一方のステージで液浸露光を行う。ステージ1のオーバーレイ(グリッド)エラーはステージ2 と同等であることはめったにないが、このスワッピング機能はスループットを向上するためのよいアイディアだと思われる。液浸リソグラフィで要求されるオーバーレイ制御を得るためには、リソグラフィセルだけではなくステージにも焦点を当てる必要があるかもしれない。ステージに焦点を当てることによって生産性は2％上昇する可能性がある。その理由は、FOUPがスキャナに到達した時に正しい専用ステージに当たる可能性が50％であるためである。もしスワッピングが必要な場合、スループットは低下する。特にダブルパターニングのケースでオーバーレイが重要であるため、これら全てが必要となるのである。

　CDばらつきの80％以上は有効ドーズ量とフォーカス量のリソグラフィセルの変化に起因しているため、フォーカスドーズのモニタリングとフィードバックのために三次元スキャトロメトリへの関心が高まってきている。スキャトロメトリで使用されていたグレーチングターゲットをバーに分割することによって端壁角度とバーの幅と長さを測定することが可能である。フォーカス露光マトリクスを使ってキャリブレーションを行った場合、これらのターゲットはAPCに適した生産フォーカス、ドーズ、CDモニター性能を提供することができる。

　米Nanometrics社は、マスク、レチクル、ウェーハのCDと膜厚測定に適用するため、現在、膜厚、オーバーレイ、スキャトロメトリに焦点を置いている。CDと膜厚測定は、CDとプロファイル情報に加えてスキャトロメトリによる情報からも抽出される。同社マーケティングディレクターであるPeter Gise氏は、「オーバーレイによって、45nm以降ではデュアルパターニングは測定要因となるだろう。以前は1/3のプロセス許容値があったのに対して、今ではダブルパターニングによって1/5程度である。これにより、プロセス許容値はたったの9nmになる。測定バジェットはその10％であるため、オーバーレイ測定の許容値はわずか0.9nmである」と述べている。

　45nm以降におけるデュアルパターニングによって、画像ベースのオーバーレイ測定が促進するとみられる。ただ、スキャトロメトリがすべての解決策になるかどうかは不確定である。CDとオーバーレイの分野における精度が同等であるということは最近になって証明されたばかりである。

　プロセスモニタリングを超えた、さらに大きな業界の要求は、後続の回路デザインを調整し、左右する測定データをループバックする手段である。データの管理問題は重要であるが、本当の「予測メトリクス」の出現は、次世代デバイスにおける顧客の製品化時間目標を達成するために対応すべき課題である、とGise氏は述べる。

　イスラエルにあるApplied Materials Israel社のCD-SEMプロダクトマネージャであるRam Peltinov氏は、測定技術の課題が複雑になってきているとみている。同氏は、「CD-SEMは常に生産プロセスをモニタリングするツールであり、開発にも使用されてきた。サイクルタイムを短縮する要求に加えて、液浸、ダブルパターニング、二重露光、積極的なOPCデザインを通したリソグラフィの課題によって、R&DフェーズにおけるCD-SEMの重要度は増し、さらに新しい要求をもたらすだろう」と語る。「我々は、ホットスポット予想の後に位置確認をした微細で不明瞭な二次元構造を大量に測定する必要性が高まっているのを目の当たりにしている」という。

　製造工程においては、テクノロジーノードが微細化していくにつれて測定ポイントは増加する。クリティカルな場所にはターゲットは多く存在し、同様に面積が広いとターゲットも多くなる。CD-SEM技術はこれらの要求に対応すると期待されている。製造工程における今後の主な課題は、相対的な精度と精密性を備えたツールによる2×nm構造のプロセスモニタリングである。

　組み込み型測定技術(IM：Integrated Metrology)は1996年からCMP向けに導入されてきたが、その他のプロセス分野においても徐々に発展してきている。イスラエルのNova Measuring Instruments社の創立者であるGiora Dishon氏は、「CVDなどの安定したプロセスでは、IMは主に変位モニタリングとして採用され、CMPフィードフォワード制御などにも一部導入されている。このことに変化は見られない」と述べる。

　測定が徹底して行われる分野(主にリソグラフィ)では、IMはオーバーレイ、CD、マクロ検査のためのオプションと考えられている。IM はそもそも変位モニタリングのためのマクロ検査において存在を発揮するが、今のところそこまでは至っていない。光学CD およびオーバーレイは製造工程においてまだ組み込まれていないが、65nm以降においてはその必要性がでてくる。IMは今後のテクノロジーノードで要求されるより厳密なプロセスウィンドウでスピーディなフィードバックを行う唯一の方法であるため、近い将来リソグラフィにおけるIM は大きく成長するとDishon氏は予測している。65nmが量産体制へと移行することにおいて、測定技術に問題はないと同氏は見ている。「薄膜や微細ジオメトリへのニーズは低コストで行える。65nmでは、均一性、構造、形状などの問題が課せられるCuやLow-kといった材料が普及するのに伴い、製造工程においても光学CDが採用されていくであろう」と同氏は述べる。

　既存技術の延命や研究所から工場への生産能力の移転などにより、測定技術は新たな材料やプロセス要求などへの対応が求められている。非金属膜においては、スキャトロメトリベースのクリティカル形状測定はCD-SEMに取って代わるだけではなく、以前までは膜厚だけが測定されていたプロセスステップにおいても次第に導入されるようになってきている。不透明薄膜(金属や混合物)や超薄膜(15Å未満)においては、蛍光X 線(XRF)、反射X線(XRR)、回折X線(XRD)、光電子分光X線(XPS)など、さまざまなX線技術が導入され始めている。

　米Timbre Technologies社のマーケティングディレクターであるBob Monteverde氏はIMに対してさらに楽観的である。同氏は、TimbreのODP(Optical Digital Profilometry)スキャトロメトリがリソグラフィとエッチングアプリケーションの両方で適用されていることを示し、「我々は変位モニタリングを超えたところまで到達している」と述べる(図2)。

　リソグラフィには大きな課題がある。ウェーハ露光に使用される光の波長よりもライン幅の縮小が速いため、位相シフトマスク、OPC、異なる照射構造などの次善策が推し進められている。マスクについても次第にそういった改善策が行われてきている。克服すべき課題は多く、制御するパラメータが多いということは、間違った方向へ進む可能性も多くなるということである。

　これによって、測定数の増加、さらに精密な測定、測定による情報、IMに対する傾向が要求されるようになる。Monteverde氏が述べるように、「なぜ測定を行うのか？何か異常を知るためであり、手遅れになる前に修正するためである。さらに、パターニングにおいてロジック設計者はゲートを縮小している。90nmでは45nmのゲートに対応し、45nmでは20nmのゲートに対応しなければならない」。したがって、測定要求は45nmではなく20nmを基本としなければならない。一方で、DRAM設計者は三次元構造を作製している。デバイスメーカーはSiに穴を空けてディープトレンチキャパシタやくぼみゲートを作製する。もはや我々は三次元構造で考えなければならない。

　Timbre社のアプリケーションディレクターであるYouxian Wen氏は、もうひとつのIMの課題は、すべてのウェーハをいくつかのポイントで測定する機能があると、結果的にデータの洪水につながるという点であると考える。「問題はこれに対して何を行うかである。有益な情報が提供されるべきである。歩留まりを調整し向上させるためには有効に使用するためのインテリジェントシステムが必要である。IMでは、問題をすばやく検知するだけではなく、早急に対処する必要がある。」とWen氏は語る。

　米Advanced Metrology Systems社の技術マネージャであるMichael Gostein氏は、超浅接合が焦点になると見ている。彼は、「65nm以降では問題になる。チャネルと伝導性のためには、ソース・ドレインを拡張する超浅接合が必要である」と述べる。

　これらの接合を形成するにおいて、ドーパントの拡散を防ぐため拡散距離が制限されなければならない。これは、短時間のアニールで高速な温度上昇を得るためにスパイクアニール、もしくはフラッシュランプやレーザーアニールが必要であることを意味する。

　ドーパント活性化の点から見て、スパイクアニールとフラッシュアニールの技術は充分なウェーハ間均一性が得られない恐れがある。もしアニールが不十分であったり不均一であったときに問題が起こる。インプラントプロセスだけではなく、アニールやキャリア活性化の測定を行うためにも、優れた測定技術が要求されている。未来のデバイスではさらに複雑化したアニールステップをモニタリングしなければならなくなるだろう。IR 測定技術は、Siコンダクタンス、またはレジスタンスのトップレイヤーを測定することが可能であり、Si内に存在する活性化キャリア数を提示することもできる。

　米Verity Instruments社の社長であるMike Whelan氏は、キオスク型測定技術ツールと各プロセスステップの重要性増加に関連した待ち時間の問題によって、追加の測定技術がツールに必要になると信じている。

　複雑性をなくし、より洗練された第一原理の測定技術ツールから実用的な技術をトレードオフすることにより、シンプルなツールを組み込むことで大きな価値が加わる。このトレードオフとは、OEMとファブが購入可能または実施に投資可能なIM が、スキャトロメトリベースのエリプソメーターか別の小スポット光学技術で使用されていたと思われる第一原理の技術で達成可能な精度に欠ける場合がある、ということである。

　in-situアプリケーションとインラインIMにおいて、これはあきらかにパターン認識と微小位置決めのトレードオフを意味する。これによってコストと複雑性が追加され、IM製品信頼性を低下させる可能性がある。全ての場合において、目標はさらにコストの高いキオスク型のツールとの連携に使用可能なリアルタイムのプロセス制御指標を提供することである。プロセス傾向の情報は、測定値やベクトルの最終キャリブレーションが何を意味するかを装置に伝える。この方針が結果としてツール上の改良されたAPCとなる。

　測定技術は45nm以降では難しくなっていくだろう。米Rudolph Technologies社のパルス測定製品マネージャであるJana Clerico氏は、「45nnや、特に32nmにおいては、全てが変化するが、Fabは現在購入しているツールを3世代に渡って使用するつもりである」と念を押す。測定技術のメーカーにとっての主な課題は一つのプロセスソリューションが同時に採用されることはないということである。例えば、何のバリアメタルが45nmのCu配線に使用されるかという議題はいまだに決まっていない。PVDのTaやTaNには実績があり、45nmまで延長可能かもしれないが、その抵抗が高いため、エンジニアは他のオプションを探している。TaN上のRuなど他の二重膜も研究されているが、3つ目のオプションとして超薄原子層蒸着膜(ALD：Atomic Layer Deposition)がある。

　Rudolph社はADL向けのソリューションを調査している。同社のPulse技術は比較的厚いPVD膜に対して着実であるが、ALDには適用できない可能性がある。ALD向けには構造測定に広く使用されていたがめったに薄膜には使用されていなかった蛍光X線が注目されている。単色X線源はバックグラウンド信号除去を促し、再現性1％以上で5Åほどの薄膜測定を可能にする。別のオプションとして偏光解析法がある。エリプソメーターは透明膜を測定し、バリアメタルに焦点が当てられているので、直感に反しているように見えるが、200Å以下においては全ての膜が透明になる。

　米FEI社のSemiconductor Fabグループの主任技術者であるStacey Stone氏は、例えば三次元構造などは測定技術の問題でデバイスデザインの性質が変化すると思っている。同氏は、「前工程ではトライゲートやfinFET構造などの開発がある。トップダウンビューはもはや適用されないため、エンジニアはどの構造にどんなプロセス制御を行うか、何が統計学的に意味のある測定方法であるのかを決定するのに苦戦している。」と語った。

　スキャトロメトリと原子力間顕微鏡(AFM：Atomic Force Microscopy)は進歩しているが制限がある。プロセス特性化と開発においてエンジニアはいまだに断面の情報に頼っている。finFET構造にしても配線にしても、統計的に有意な断面データへのニーズがある。配線プロファイルとエッチングステップでのオーバーエッチレベルは歩留まりに対して決定的になっている。新しいプロセスがショートや線幅破損を起こすトンネル現象やパイプライン欠陥、エレクトロマイグレーション問題を起こす鋭角等がないパターンでの5nmステップを処理するのはほとんど不可能である。

　FEIのFab事業部で部長でありジェネラルマネージャであるKevin Fahey氏には別の考えがある。「欠陥解析や原因分析に使用されるCDベースの断面図をすべて見てきた。しかし、たくさんの新材料や構造を導入することで、プロセス開発エンジニアは断面研究を用いた実験の統計学的に有効な設計を行わなければならなくなる」と語る。45nmでは、統計学的に有効で、断面測定を使用した大量のサンプルが必要となる。すでに最先端TEMとSEMを用いて32nmノード材料は調査されている(図3)。

　先端測定技術の未来は、単にスイスアーミーナイフ型のプラットフォームやIMのみにあるわけではない。おそらく多機能ツールに重点がおかれるとみられるが、必ずしも万能である必要はない。それぞれの技術が組み合わされることになる。何よりも、レキシビリティ、CoO、トレードオフといったことが真っ先に考慮されると思われる。