次世代測定技術は多くの問題に直面しているが、45nmや32nmに向けて検討中のエッチング構造が複雑だということだけではない。次世代トランジスタは、例えばfinFETのような垂直型の構造になるだろう。これにはチャネル周辺のゲートを覆う複雑なエッチング形状が必要となる。その他の重要なポイントは新材料の導入であり、それらが互いに、あるいはすでに使用中の材料とどう反応するか注目しなければならない。High-kゲート絶縁膜は頭痛の種をまた一つもたらすことになるだろう。
　測定装置メーカー各社は、これら複雑な形状を測定する能力を持った装置を提供しなければならない。「形状が複雑過ぎて、スキャトロメトリは容易に機能せず、AFMでは遅すぎるので、代替案が検討されている最中だ」と、米Advanced Metrology Systems社の技術ディレクタMichael Gostein氏はいう。これらのソリューションのうちいくつかは間もなく必要になるだろう。三次元デバイスをインライン、非破壊で測定する必要性が高まっている。

　Gostein氏は三次元エッチング問題の候補技術を予想する。「三次元構造を測定するための新しい方法がある。例えば、赤外線を使うと、その構造に比べて波長が長いので、よりシンプルな測定が可能となる。よって、エッチ深さなどは複雑なスペクトル反応なしに測定できる。プロセスエンジニアは測定結果を理解するのに多数の異なったパラメータを心配しなくてすむ」。この方法は代償も伴うが、量産工場のエンジニアは、歩留まり向上のため、プロセスの簡素化とデータ取得の高速化を望むだろう。

　また、「製品の成分測定にも関心が高まっている」とGostein氏は述べる。エンジニアは、装置の検証を行ったり、蛍光X線(XRF)測定装置にブランケットウェーハを通したりすることをしなくなっている。エンジニアが望むのはより速いフィードバックであり、これは、一部には、枚葉プロセスの傾向によって促されている。

　複雑な構造は一連の工程や製造プロセスを経た最終的な結果である、という事実は十分注目されていない。「エンジニアは最終製品を見て、すべてを測定したいと言いがちだ。しかし、ほとんどの場合それは不可能である」とGostein氏は述べている。「しかし、一連の製造プロセスの中で個々の工程を見ると、複数の工程において、次の測定ステップへフィードフォワードできる情報が得られる。そうすれば複雑な問題をシンプルな問題に分割することができる」。最終デバイスが完成するまでに、プロセス履歴から多くの情報が得られる。

　これは日常的に行われていることだ。前の工程からの情報をフィードフォワードし、観察する変数の種類は少ないもののより頻繁に測定することで測定を簡素化する方法に焦点が当てられている。もし、あるメーカーの測定機器が使えない場合、最終モデル用のデータ取得のため、特別な測定機器が使用され得る。これは複雑な問題をシンプルな問題に分割する必要がある。測定に関する問題を1度に全部解決するのではなく、個別に解決しようという取り組みだ。専用の測定機器とより優れた情報インフラは、かつて褒め称えられたスイスアーミーナイフのようなプラットフォームに取って代わろうとしている。1回測定すると他の測定機器に情報が送られる仕組みである。

　米KLA-Tencor社のウェーハ検査グループのバイスプレジデントMike Kirk氏は、45nm、32nm、そして現在では22nm向けの製品開発において、ユーザーと共同開発を行っていると述べる。「ユーザーは、プロセス開発にあたって、かつてないほどの測定技術を取り入れている」(同氏)という。「ユーザーは、5つの異なる材料の次に32nmのトレンチで20nmの欠陥がどのように見えるかのモデルを作り、もしその欠陥が絶縁膜ならばどのように光を散乱させるかのモデルを作るため、我々の物理学者や数学者と一緒に研究をしている。我々はこれらのモデルを作成し、さらに電子ビーム検査でも同じことをしている。そして、LERと合わせて、オーバーレイのばらつきがいかに測定に影響するかのモデリングをするのだ」。

　これは材料選択が行われているときの話だ。「以前なら、概念実証、トランジスタの設計証明から多くを経て最初の配線までが行われた。そして、その後にやっと、問題の欠陥や計測困難な箇所が我々に伝えられた。しかし、今では、それが遅すぎることにユーザーが気づいている」とKirk氏は述べた。液浸リソグラフィに関して、KLAは、液浸リソグラフィの欠陥メカニズムのパレートを行ったり、特にオーバーレイではいくつかの光学系CDも含んだ測定技術の体系的研究をするなど、ユーザーとのいくつかの共同研究に携わっている。

　各装置のシャワーヘッドと同様にレジストとトップコートは異なるため、液浸の最適化には時間がかかりそうだ。化学的あるいは物理的なレジストの相互作用を引き起こしながら、いかにある領域に長く存在できるだろうか。これまで、水柱がエッジまで行ってウェーハ上に戻り、無関係なエッジコンタミをウェーハの内部ダイに降り注ぐことはなかった。これは特別な痕跡を残すので、その痕跡を素早く検知するアルゴリズムと検査能力を開発して、この状態に対して警告を発するようにしなければならない。エッジもまた検査されなければならず、これらのプロセスは装置アルゴリズム、照射技術、集光方法、ちょっとした欠陥とクリティカルな欠陥の見分け方において変化をもたらす。

「エッジ欠陥とEBR品質は非常に重要なので、我々はウェーハのエッジ近く、ベベル、頂点のみを観察する検査システムを設計した。これにより、非常に重要で無視できないウェーハのこの部分を監視するために必要な制御信号が出される」とKirk氏は述べた(図1)。

　ある液浸リソグラフィプロセスに特定して製品を作ることは誰にとってもコスト効果が高いとは言えない。もし、液浸リソグラフィプロセスの開発中に、レジスト、あるいはレジストのトップコートを変更しなければならないとしたら、それによって光学的性質が変わる可能性があり、単一の検査波長は不最適となるだろう。そうすると別の装置が必要になる。KLAも他のOEM企業のように、画像コンピュータとアルゴリズムのプログラミングを、より応用が利き、より高速に使用できるよう、設計し直した。光学系は柔軟性と拡張性を持つように設計される。例えば、広帯域照度(266nm以下から可視光線)、すべての検査ピクセルサイズで高開口率(NA)、照度用の可変絞り、ウェーハのバックグラウンドのばらつきにより生成された「ノイズ」をブロックする集光などである。

　ウェーハ上の1点を測定すればプロセス箇所に明確な測定基準を提供することになるという概念は変わりつつある。パラメータはウェーハ面内、そしてダイ内で変化する。原子層蒸着(ALD：Atomic Layer Deposition)とラインラフネスのばらつきがクリティカルなものになったので、ウェーハ面内とダイ内の制御が必要だ。ランダムvs.システマティック欠陥の二分法は、一般的にランダム欠陥と呼ばれるものが実はまだソリューションの見つかっていないシステマティック欠陥だという考え方に進化している。

　液浸リソグラフィ、ダブルパターニング、リソグラフィプロセス最適化によって大きな障害が発生する。これらの要素は45nm世代での最先端の測定技術に大きな影響を与えるだろう。さらに32nmでは確実にそうなる。22nmで何が起きるかは不透明だ。どんなリソグラフィが使われるかに大きく左右されるだろう。45nmと32nmでは、おそらく液浸リソグラフィとダブルパターニングになるだろう。

　米Applied Materials社(AMAT)プロセス診断・制御事業のチーフマーケティングオフィサーであるYogev Barak氏は、測定技術に対する液浸リソグラフィの最大の問題が欠陥分野にあるとみている。「レンズとウェーハ間に液体を入れることで大量の新型欠陥をもたらす」と同氏は述べた。

　液浸プロセスに必ずしも関連することではないが、これらの欠陥は小さすぎて実際には検知することができない。しかし、それらのノードではパターンが微細なため、そのような極小欠陥でも歩留まりに恐ろしいほど影響する。これはメモリーにとって最悪だ。なぜなら、フラッシュとDRAMのパターンは密になる傾向にあるからだ。問題は60nm形状を30nmスペースで転写することにある。もし、これらの形状に小さなブリッジや突起があれば、回路に支障が出る。そして、これらの問題を検知するために必要な検査に影響が出る。もし、これらの欠陥がレジスト膜上で発見されれば、レジストを剥してもう一度やり直すことは可能だ。もし、検知されずにエッチングされれば、ウェーハは無駄になってしまう(図2)。

　AMATの検査装置「UVision」は露光装置に近いDUV波長レーザーを使用しており、レジスト膜の検査感度に最適化されている。一つにはBARC膜がDUVのほとんどを吸収してしまうからだ。もし異なる波長が使われていたら、反射膜(ARC)を通して光の反射があるかもしれず、そうなると下地膜からのノイズが生成される。この影響はDUV波長で最小化される。また、DUVレーザーで小ピクセルサイズを使用することができ、レジスト構造中の非常に小さい30nmのブリッジや突起も検知できるようになる。

　ダブルパターニングは32nmに向けて唯一可能な技術のようだ。露光装置と測定機器のOEM企業は問題解決のために連携して取り組まなければならない。測定技術の視点から見ると、オーバーレイは基本的な問題だ。ダブルパターニングによって、オーバーレイエラーはほとんど直接CDエラーになる。露光装置メーカーはオーバーレイ・バジェットを劇的に向上させなければならない。この問題に対処するための新たな方法の1つはCD-SEMを使ってオーバーレイエラーを測定し、プロセス制御のため、露光装置に情報を報告するというものだ。

　半導体メーカーが使用している材料が大きく変化すると、通常のデザインルールはそぐわないものとなる。「特定の層のプロセスを緻密に計画するどころか、初めからスタートしなければならない」と米FEI社のバイスプレジデントでナノエレクトロニクス部門のジェネラルマネージャーTony Edwards氏はいう。「これによってインテグレーションに対する注目度が上がり、いかに1つのプロセスステップが前の層に影響されるか、いかに複数の材料を統合することがさらなる複雑さをもたらし、相互拡散、応力、その他経験則が当てはまるあらゆる分野を基礎的、体系的に評価する必要が出てくる」。

　新しい材料は予期しなかった界面と拡散の問題を引き起こしている。拡散はUltra Low-k絶縁膜のC濃度が原因で起きる。また、新しい膜は洗浄に敏感な、異なる接着品質を有する可能性がある。

　そして、高エネルギービームに敏感な材料もある。一度、材料が完全にインテグレートされた構造になれば、高エネルギービームは問題ではなくなり、断面データから重要な情報を得られる。

　これには追加的な故障解析とプロセス歩留まり欠陥モードが必要で、それらはすべてTEM分析が必要となる。FEIの半導体ファブグループ主任技術者Stacey Stone氏によると、インテグレーションの問題は最優先事項なので、構造全体を見てそれを統合後や製造後に定量化する能力は、デザインルールをプロセスや設計グループにまわすために不可欠だ。「希望する情報を得るために層はインテグレートされていなければならない」、と同氏は述べた。断面情報は故障や欠陥を評価するために常に使われてきた。今やそれは、基本的な材料が検討される開発サイクルの最初の段階で避けられないもののようだ。

　デュアルダマシンについてであれfinFET構造についてであれ、断面からの情報は必要だ。構造的な断面測定の必要性は高い。最新のTEMと走査型TEM (STEM)が22nmノードでの要求レベルに対応しているので、問題は解像度ではない。ファブを支えるためにこのプロセスが効果的に使用され得るかどうかなのである。もはやプロセスエンドで構造分析はできない。開発中に行わなければならないのだ。

　米Sematechと米国標準技術局(NIST：National Institute of Standards and Technology)は共同で、光学系CDの限界はどこであるかを見極めようとしている。この技術は重要なインライン制御パラメータで、それに対するよいソリューションは少なく、SEMは実用的でない。ほとんどの人は22nmが限界と考えているが、両団体は共同で光学系CDの根本的限界を確認しようとしている。

　問題の一部はオーバーレイである。半導体メーカーの中には、わずかなオーバーレイエラーの要素を確認できないという問題から、最大10％の歩留まり損失を経験するところが出るかもしれない。ダブルパターニングを使用すると、測定技術の候補は少なくなるだろう。「平面パターンの測定や、ある程度のトレンチ深さの測定でさえ問題だ」と米Jordan Valley Semiconductors社セールス・マーケティング部門のバイスプレジデントSean Jameson氏はいう。「トレンチにはFTIRやその他の技術によるソリューション候補がある。しかし、CDとオーバーレイには根本的な限界が近づいている」。

　NISTとSematechは、原子力間顕微鏡(AFM)をエラー要素特定の絶対参照として使用し、CDとオーバーレイ制御の基準を決定しようとしている。測定技術の道には障害があり、それらのうちいくつかはSEMや光学系ソリューションの根本的限界に対応する。もしダブルパターニングが現実となったら、オーバーレイ測定に与える影響は非常に大きいだろう。22nmのラインとトレンチには問題もあるが、AFMや断面分析などのソリューションがある。しかし、オーバーレイにはそれがない。

　Jameson氏はX線検査技術の採用に向けた大きな流れを指摘する。「ゲート積層構造では、メタル測定と透明・不透明の絶縁膜測定が組み合わされている。これらは現在の技術に限界をもたらす。メタルゲートは薄くなり、現在のいくつかのメタル測定ソリューションにとって問題を引き起こすだろう。High-kは光学計測機器にとっての問題がある」。

　ゲートキャパシタがDRAMに積層されても—これらのHigh-k絶縁膜と界面層はかつてONO膜だったが、今は、Hf、酸化ハフニウムアルミネート膜、ALD膜といった組み合わせだ。屈折率も似ており、これらの方法ではそれらを見分けることはできない。同様に、残った酸化膜上のHigh-k膜では、屈折率が似ていることから、光学的方法でそれらを分けることはできない。「32nm世代が実現するころ、X線が評価のための唯一のソリューションかもしれない」とJameson氏は述べた。32nm以降あまり遠くないところで、光学系は光学CDの分野でさえも問題を抱えるだろう。

　膜厚は唯一の問題ではない。それが密度あるいは界面ラフネスのことであれ、あるいはテクスチャかグレインかの回折特性のことであれ、材料特性への懸念が高まっている。シリサイドの移行が一例だ。半導体業界がWSiからNiSiに移行したので、位相が問題となった。位相を安定させるためにPtのような重金属がNiSiに加えられた。TaNバリア膜の相でさえCuグレイン方位とテクスチャに対して強力な相関関係があることを示しており、エレクトロマイグレーションに影響を与える可能性がある。

　例えば薄膜用のいくつかの測定技術は、短波長の真空UV(V、153nm以下)へ向かうことで延命でき、よりよいソリューションを可能とする。「スキャトロメトリはすでに従来の薄膜計測技術の自然な延長で、スペクトロフォトメトリとエリプソメトリがベースとなっている」とイスラエルNova Measuring Instruments社のマーケティングディレクターBents Kidron氏は述べた。「RCWA(Rigorous Coupled-Wave Analysis)に基づくモデリングと組み合わせると、複雑な構造に対する三次元測定の必要性を満たすことができる。真の構造に関して、スクラブラインのテストサイトが実際の結果といつもうまく相関しているというわけではないので、ダイ内測定が必要になってくるだろう」。

　超薄膜の領域で、すべての光学系測定技術が効果的に延命する必要はないかもしれない。例えば、米Verity Instruments社は、超薄膜ゲート絶縁膜を測定するためにヘテロダイン干渉法を使った技術を開発中だ。この方法は、反射率測定法モードで可視ヘテロダイン技術を有効活用し、超薄膜を測定解像度0.10Å以下で相応の発達をした技術で測定する可能性を示した(図3)。

　同時に、Novaは、主にX線反射率(XRR)とX線回折(XRD)を使ったX線技術に基づく新しい計測技術の向上を見込んでいる。「プロセス制御のためにジオメトリ的パラメータを測定するだけではなく、信頼性、再現性のあるプロセスとデバイスのためには、構造、成分、テクスチャがクリティカルな要素になるとき、XRDは今よりもっと役立つだろう」とKidron氏は述べた。

　米Rudolph Technologies社の新技術開発ディレクタGreg Wolf氏は、メタルゲートはピコ秒レーザーソナーアプリケーションにとってよい分野だと見る。「メタルあるいはシリサイドの相と膜厚を同時に測定できる。フルシリサイドメタルゲートはフルメタルゲートへと続く道なので、膜厚とメタルあるいはシリサイドの位相は重要なプロセス制御パラメータであり、ピコ秒超音波技術を使えば製品上で測定可能だ。半導体業界がフルメタルゲートへ移行するとき、単色microspot XRF(MMXRF)装置で、メタルゲートの合金組成を測定することができる。そして、パルスとMMXRFの組み合わせによって、メタルゲートの完全なプロセス制御が可能となる。だから我々は、プロセスエンジニアがデバイスの要求性能を満たすような機能を調整し、制御することができるようになる、膜厚、位相、合金組成といった要素に関心を持っている(図4)」。

　技術的観点からいうと、32nmの測定技術は45nmのそれとあまり変わらないものになるだろう。実現するにはいくらか多めの費用がかかるだろうが、間違いなく実行可能である。しかし、22nmの測定技術は予想が困難のようだ。サプライヤは、必要な技術を延命(あるいは開発)するために何か思い切ったことをする必要があるのかどうかさえ思いつかない。

　しかし、もし過去の実績が目安になるとすれば、将来的には実行可能である。

Advanced Metrology Systems www.advancedmetrologysystems.com

Applied Materials www.appliedmaterials.com

FEI Co. www.feicompany.com

Jordan Valley Semiconductors www.jordanvalleysemi.com

KLA-Tencor www.kla-tencor.com

NIST www.nist.gov

Nova Measuring Instruments www.nova.co.il

Rudolph Technologies www.rudolphtech.com

Sematech www.sematech.org

Verity Instruments www.verityinst.com