45nmへ向けた分光エリプソメトリ膜厚測定

[2007年02月号]

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Arun R. Srivatsa
KLA-Tencor社
www.kla-tencor.com

分光エリプソメトリは膜組成の測定へと進みつつある。このウェーハマップイメージはエリプソメトリを使用してマッピングされたSiOxNy薄膜の中のNプロファイルを示す

(出典：KLA-Tencor社)

　分光エリプソメトリは膜厚モニタリングのための選ばれた技術であり、今後も65nmや45nmなどのテクノロジーノードに向け、ますます複雑になる測定技術の要求にも応えていくだろう。

　65nmや45nmノードに向けて新しい材料や構造が出現する中、薄膜の測定技術に対する要求がますます複雑さを増し、測定バジェット(許容値)は厳しくなっている。いくつかの主要プロセスでは、もはや膜厚と屈折率のモニタリングだけではプロセス管理に不十分で、組成、多孔率その他のパラメータを測定、あるいは推察しなければならない。これらのパラメータで光学特性が体系的にばらつくことを利用し、分光エリプソメトリ(SE：Spectroscopic Ellipsometry)の応用分野において達成された最近の技術的進歩によって、High-kゲート絶縁膜、窒化ゲート酸化膜、BドープSiGeなど多様な材料の組成監視のために、SEは研究開発や生産環境にうまく採用されてきた。新しい材料や複雑な構造を取り扱うにあたって、プロセス管理に関する重要な課題や要求があり、光学的薄膜測定技術を使った新しいアプリケーションデータや将来性のあるソリューションが検討されていくだろう。

複数の分野における課題

図1　これまでの技術ノードに比べ早いペースで、非常に複雑な多くの新規材料が導入されている
(出典：KLA-Tencor社)

　65nmや45nmノードでは薄膜の測定技術は複雑になり、より精度が求められるようになるだろうという見解にはほとんど異論がない。その傾向は、しだいに厳しくなるプロセスウィンドウと測定許容値(一般的な経験から言えば、トータル膜厚の測定バジェットはプロセスバジェットの10％以下)と共に、他の二つの要因によって促進される。つまり、フロントエンドとバックエンドのどちらにおいても多くの新材料や革新的な構造が導入されることと、モニターウェーハ膜厚を生産ウェーハの代わりに測定するやり方から生産ウェーハ膜厚の測定に変更されること、である。

　フロントエンドでは、多くの新材料導入によって測定やプロセス管理上の新たな課題が生み出される。まず、Si基板からSOI(Silicon On Insulator)基板へという緩やかな移行である。これらの課題は新たな要求を生み出す。SOI基板では、薄膜表面Si層と埋め込み酸化膜の膜厚と均一性のモニタリングが必要である。また、SOI基板を使用すると、ゲート絶縁膜と多層構造の測定が非常に困難になる。表面Si膜はHeNe波長(633nm)で透明なので、複数パラメータ測定(ゲート酸化膜、表面Si膜、埋め込み酸化膜を同時に測定)となり、これは標準的な固定アングルの単一波長エリプソメータ(SWE：Single Wavelength Ellipsometry)では測定不可能である。

　Siチャネルに歪みを導入するため複数の方法が試みられている。例えば、圧縮しながらチャネルに圧力をかけるためBドープBSIG(Ge、B、そしてBドープSiGeの膜厚を監視する必要がある)をソース/ドレイン領域に使用したり、チャネルに引張応力や圧縮応力をもたらすため高圧をかけた窒化層(応力監視)を使用したりするのである。プロセス管理の要求や方法は使用するパスによって異なる。ゲート酸化絶縁膜はより薄膜化し、より高濃度に窒化されるので、膜厚と酸化膜中の窒素濃度のどちらも管理する必要性がでてくる(図1)。High-kゲート絶縁膜は45nmノードで採用されることが最有力視されている。候補に挙がっているHfSiOxNyのような材料は、効果的なプロセス管理のために複数の要素/組成を同時に監視する必要がある。より多くの変数を監視する難しさに加え、これらパラメータからの誤差幅が全体的な測定許容値に食い込んでくる可能性があるので、各変数の許容値は一般的に厳しくなる。High-k膜の計測に関連したさらなる課題は、High-k絶縁膜とSi膜の間にあるメタルゲート電極と界面層の監視である。フロントエンドプロセスでは、キャパシタ用に2層(バイレイヤー)構造とナノラミネートベースのHigh-k材料積層構造も導入されている。

　フロントエンドプロセスでは多くの問題が起きているが、バックエンドプロセスでもLow-k材料とCuが重大な問題をもたらしている。Low-kのCドープ酸化膜(CDO：Carbon-Doped Oxide)を関連するバリア層やエッチストップ層と共に使用すると、より複雑な積層構造でより厳しい測定管理が要求される。そして、多孔質Low-k絶縁膜は複雑さを増す。なぜなら、現在のところは孔のサイズや分布は生産監視に不必要なパラメータに思われるかもしれないが、多孔性と誘電率の一方あるいは両方の推測は生産管理に必要なものだからである。

　生産ウェーハを検査するという傾向は、特に300mmのモニターウェーハをなくしたいという願望が背景にあることが大きい。ダイのばらつきとスクラブレーンにおけるより大きい形状ばらつきの相関関係が乏しいので、場合によってはプロセス管理にin-die測定が必要である。通常、生産ウェーハ測定はスクラブレーンの大きなパッド上で行われる。微細化が進むと、多くのクリティカルなプロセスが影響を受ける。例えば、シャロートレンチアイソレーション(STI：Shallow Trench Isolation)では、スクラブレーンのパッド上におけるCMP率とダイ中のCMP率の相関関係が著しく乏しい。STIのプロセス管理には酸化膜と窒化膜積層のin-die測定が必要である。

膜厚計測問題の解決

　多くはSEをベースとした光学薄膜計測が、ファブ全体を通してプロセス管理に広く使われている。SEは、モニターウェーハ、生産ウェーハのどちらの測定にも使われる、高速の非破壊法である。SE法は2つの主要な要素から成る。つまり、膜からの情報を抽出する高いスペクトル忠実度を持ったハードウェアと、スペクトル情報とアルゴリズムツールを使って実行可能なソリューションを作り出すアプリケーション技能である。両分野における最近の進歩によって、研究開発と生産環境のどちらにおいても複雑な膜の組成が監視できるアプリケーションのような、実行可能なSEベースのソリューションが生み出された。

　ハードウェアの主な技術向上とは、スペクトル忠実度を高めることにつながった光学技術の進歩や、SEをDUV波長(～150nm)まで延命したことなどがある。これら2つを組み合わせると重要な要素になる。なぜなら、DUV波長への延命によって、これらの波長でよりすぐれた吸収率を持つ薄い絶縁膜からより多くの情報を抽出でき、一方で、スペクトル忠実度は解像度を上げて測定誤差幅を最小化し、ますます厳しくなる要求を満たすのに役立つからだ。

　スペクトル忠実度の質は、薄い酸化膜からスペクトル誤差(測定スペクトルと理論スペクトルの差)を評価することによって容易に判断できる。我々の装置を用いた例で示している通り2つの世代のSEシステム(ASET-F5xとSpectraFx)のスペクトル品質を調査した(図2)。新しいSpectraFxの残差は、すべての波長でかなり小さく、ゼロに近いようだ。これら生産装置上での誤差の大きさは、同様のテストを使って研究レベルのシステムから得られた誤差と同等であることが分かった。同じように重要なのは、この最新のSE装置に見られる、残りの小さい残差の「痕跡」はどの装置でも事実上同じようだ。スペクトルの観点からいうと、測定ハードウェアは本質的に合致する。高いスペクトル忠実度とシステム間ばらつきの少なさは、最も難しい膜アプリケーションに対して求められる極めて厳しい要求を満たすためのカギである。

　薄いゲート絶縁膜の光学的監視と言えば、浮遊分子吸着汚染(AMC：Airborne Molecular Contamination)の問題は避けて通れない。詳細な議論も行われている。AMCに対応するため、エリプソメトリ技術と脱着装置(desorber)を使って、膜厚と薄いSiONゲート絶縁膜中のN濃度を監視しようと、生産実績のある実行可能なソリューションが作成された。このソリューションでは、実験計画法(DoE：Design of Experiments)のあらゆる地点で、測定SEパラメータとN濃度のベースラインデータ間によい相関関係が繰り返し示された。現在、この光学ソリューションタイプは世界中のいくつかのファブでうまく実行されている。

図2　スペクトル残差はすべての波長でゼロに近く、残差の「痕跡」は最新のSEシステムSpectraFx(右)で再現性がある
(出典：KLA-Tencor社)

High-kゲート膜の光学的計測

図3　SEを使ったHfSiOx膜の組成監視と、SEを使ったHfSiOx膜中の2組成同時確認
(出典：KLA-Tencor社)

　候補に挙がっている材料はほとんどがHfベースの酸化物あるいはケイ酸塩で、HfO2、HfSiOx、HfSiOxNyなどがある。これらの材料と共に、通常、20～40ÅのHigh-k絶縁膜とSi膜の間に膜厚5～10Åの界面層がある。この界面層はバルクHigh-k材料より誘電率が低い。通常のプロセス管理方法は、High-k絶縁膜とSi間の界面層を電気的に監視することに加え、膜厚とバルクHigh-k絶縁膜の組成監視に頼っている。これらのHigh-k材料の光学的特性は組成によって体系的にばらつく。特に150nmまでのDUVという短波長では吸収率が増加するため、これらの材料に対して感度が上がる。この情報を使い、ハードウェア、アルゴリズム、アプリケーション方法における最近の進歩を利用することで、SEは2つの組成パラメータを同時に監視することができる。

　開発ファブで行われたHigh-k膜組成の光学的測定の例とHfSiOx DoEの結果を図3に示す。この例では、SEはHfSiOx膜中のSiO2濃度をマッピングし出力するために使われた。HfSiOx膜中の50％近いSiO2濃度のばらつきという広範囲な組成が、複数のウェーハを使ったDoEの各地点でサンプリングされた。X線光電子分光装置(XPS：X-ray photoelectron spectroscopy)は参考技術として使用された。XPSとSEの両方を使って、DoEに基づき、各ウェーハ全面(中心からエッジまで)21カ所の測定が行われた。光学モデルを作成するため150nmまでのDUV波長が使われた。その結果、組成についてのSE出力と、DoE各地点でのXPSベースラインデータとDoEでの各ウェーハ内XPSベースラインデータの間に強い相関関係が見られた。HfSiOxNy膜については、膜中のSiO2濃度とN濃度の両方を同時に計算するため、最近開発されたアルゴリズムモデルが使われた。そして、DoEの広範囲な組成とともに変わる各ウェーハ内の組成ばらつきを追跡する能力を確認するため、HfSiOx膜同様、DoEに基づいて各ウェーハ面内21カ所が測定された。ここでも、DoEでサンプリングされた広範囲な組成でのベースラインデータとよい相関関係が見られる。

2層(バイレイヤー)構造の監視

図4　SE装置を使った、DoEに基づく、異なるGe濃度でのSiキャップ膜厚とBドープSiGe層の膜厚と組成
(出典：KLA-Tencor社)

　High-k材料と同じく、SiGeの光学特性はGe濃度の増加によって体系的なばらつきがある。高濃度Bドープは光学特性に二次的な影響を与える。単層のBドープSiGeと2層のSiキャップ/BドープSiGe/Si構造の両方を同じレシピで測定するため、比較的一定のB濃度(いくらかばらつきあり)のDoEを使い、Ge濃度に体系的なばらつきをもたせて、SEベースの光学ソリューションが作成された。BドープSiGe層中のGe濃度に加え、BノードSiGe層とSiキャップ層の膜厚が同時に測定された。ここではX線回折(XRD：X-ray diffraction)と二次イオン質量分析法(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)がベースライン技術として使用された。先に述べた他のアプリケーション同様、Ge濃度の光学的測定とベースライン技術間の優れた相関関係が達成された。

　生産環境で複数のパラメータを同時に追跡調査する能力は図4の結果に見られる。BドープSiGeとSiキャップ膜厚はおおよそ似ているがGe濃度は異なる4枚のウェーハを使ったDoEの結果がプロットされる。標準的な9カ所Prometrixパターンを使って、ウェーハの中心からエッジまでの測定が行われた。BドープSiGe層の名目膜厚は1000A以上で薄いSiキャップ層を持つ。9ヶ所のパターン内では、異なるGe濃度で、リアクタの特徴がBドープSiGeとSiキャップの各膜厚で再現される。また、生産環境における3装置からのデータは、異なるパラメータに対する結果がよく合致することを示している。前述のスペクトル忠実度のお陰で、装置間ばらつきの低減が可能である。

超薄膜ONO積層測定技術

　薄い酸化物/窒素/酸化物(ONO)膜の積層はDRAMとフラッシュメモリー積層のどちらにも使われる。90nmノードではフローティングゲートフラッシュのターゲットN膜厚は50Å以下である(65nmでは30Åまで縮小するかもしれない)。これはトップとボトムの酸化膜間で極めて高い相関関係が要求されるので難しい測定となる。この相関の程度は2つの酸化膜を分ける窒化層の膜厚によって決定される。なぜなら、窒化層が薄膜化するにつれて相関が著しく強まるからだ。窒化膜は短波長で吸収率が上がるので、短波長を使うことによってトップとボトムの酸化膜間のコントラストが増加する。これらの測定を可能にするため、SE技術は、50Åの窒化膜を持つONO積層向けDUV波長(190nm)まで、そして30Åまで薄膜化された窒化膜を持つ真空紫外(VUV、150nm)にも対応できるように延命されなければならない。

　190SEシステムと150SEシステムが持つプロセス変化を正確に追跡する能力についてモニターされた。両システムは、高精度で窒化膜の膜厚を追跡する。190SEシステムは、窒化膜厚50Åまでトップとボトムの酸化膜厚に対して均一な反応を示すが、それ以下の窒化膜厚になると酸化膜間のずれや相関を示し始める。150SEシステムは、デザインルールを通じ、DoE全体に渡って、トップとボトムの酸化膜厚に対し均一の反応を示す。よって、50Å以下の窒化膜を持つ薄いONO積層のプロセス監視には150SEシステムが推奨される。

多層、複数パラメータの測定

　高いスペクトル忠実度と信頼性のあるアルゴリズムを持つ最新のシステムを使って達成された測定タイプの例を表に示す。このBEOLにおける6層Low-k膜の測定では、もたらされた変化を正確に予想する測定の信頼性を評価するため、単一レシピ、7枚のウェーハでDoEが実行された。合計16個のパラメータが同時に測定された。つまり、膜厚とトップ酸化膜(膜厚のみ測定)を除くすべての層のnとkである。単一レシピを使って、この7枚のウェーハのDoEに同時にもたらされた様々な変化が正確に予想できるようだ。異なる色で囲まれたところはミッシングレイヤー、二重蒸着層、半蒸着層、膜厚にランダムなばらつきを持つ層を示す。

　300mmウェーハでは、モニターウェーハから生産ウェーハでの測定へどんどん移行している。モニターウェーハ上では、シンプルな計測と個々の膜やプロセス監視が容易である。生産ウェーハでは多層スタックの中の同じ膜やプロセスを監視することが要求される。測定はより複雑になるが個々の膜やプロセスに対する計測要求は変わらない。なぜなら、より多くのパラメータが積層中で同時に測定されなければならないからだ。スペクトル忠実度と装置間スペクトルばらつきの減少が多層膜ではより重要になる。6層スタックにおける複数パラメータの測定例は、この技術力が進化したことを示している。しかし、典型的な生産環境ではこれほど多くのパラメータを同時に測定することはないということを言及しておかなければならない。

将来に向けたSE

　SEは今日のファブにおいて膜厚の生産モニタリングのために選ばれた技術である。スペクトル忠実度のさらなる向上、より短波長に向けたSEの延命、ハードウェア、アルゴリズム、アプリケーション能力の向上によって、SE技術を使った、超薄膜から厚膜までの組成といった、追加的パラメータを計測することが可能となり、これは、65nmや45nmノードに向けて複雑化する測定要求を満たす可能性を秘めている。現在、SEベースの光学膜厚測定技術は、窒化酸化膜(ONO)やBドープSiGeを含むいくつかの複雑なプロセスとHigh-k材料の開発において組成をモニタリングするために採用されている。複数の分野における最近の技術的進歩が、生産ウェーハでの測定と複数パラメータ、多層測定への移行を加速させている。これらの進歩が継続されると、SEベースの膜厚測定技術は45nm以降の生産における測定でも主要な技術であり続けるかもしれない。

謝辞

　著者は、きめ細かい技術的議論に加え、文中の数値や図表などを提供してくれた、同僚であるKLA-Tencor社のArun Chatterjee氏、Torsten Kaack氏、Zhengquan Tan氏、Sungchul Yoo氏、Shankar Krishnan氏、そして、STMicroelectronics社のSimona Spadoni氏、Rosella Piage氏、Davide Lodi氏に感謝の意を表する。

Arun R. Srivatsaは、KLA-Tencor社の光学膜厚計測部門スタッフテクノロジスト長。米ノースカロライナ州立大学で材料理工学の博士号を取得した。1997年にKLA-Tencor社に入社以来、主に半導体業界の分光エリプソメトリ開発とアプリケーションの拡張に携わってきた。
Eメール：arun.srivatsa@kla-tencor.com

参考文献

1. International Technology Roadmap for Semiconductors, www.itrs.net.

2. Y.C. Yeo et al., “Enhanced Performance in Sub-100 nm CMOSFETs Using Strained Epitaxial Silicon-Germanium,” Proc. of the Intl. Electron Devices Meeting (IEDM), 2000, p. 753.

3. E.P. Gusev, V. Narayanan and M.M. Fran, “Advanced High-k Dielectric Stacks With PolySi and Metal Gates: Recent Progress and Current Challenges,” IBM J. Res. and Dev., 2006, Vol. 50, No. 4/5.

4. H.S.P. Wong, “Beyond the Conventional Transistor,” IBM J. Res. and Dev., 2002, Vol. 46, No. 2/3.

5. D. Lammers, “Orientation Looms as HOT Chip Topic,” EE Times, April 4, 2005, www.eetimes.com/showArticle.jhtml?articleID=160401538.

6. A.R. Srivatsa, “Thin Is In: Solving the Challenges of Thin Film Metrology at 65nm and Beyond,” Yield Management Solutions, Winter 2005, p. 22.

7. S. Yoo, Z. Jiang, E. Wang and Z. Tan, “Optical Solution for Nitrided Gate Process Control,” Yield Management Solutions Seminar, SEMICON West, July 2006.