マスクレベル測定技術の重要性：
フラッシュメモリーのCD均一性に大きな影響

[2008年11月号]

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マスクCDU測定

図5　40nmハーフピッチのフラッシュメモリーワード線パターンの領域内CDフィンガープリントは、ウェーハレベルではCD-SEM、マスクレベルではAIMSを使って測定された。領域内フィンガープリントのX軸とY軸はミリメートルで表示され、カラー軸はナノメートル単位でCDを表す

図6　バイナリー40nmハーフピッチのフラッシュメモリーワード線のCD平均値とCD領域内均一性は、マスクレベルではAIMSを（数字は等倍）、ウェーハ上のレジスト膜ではCD-SEMを使って測定された

　通常、マスクは、マスクレベルでのCD-SEM測定で検証される。これはCDばらつきとCDの平均値—名目値に関するマスク品質をよく表す。しかし、側壁角度や透過率のばらつき、位相シフト誤差など、ウェーハ上のCDに対するその他の因子はまだはっきり分からず、他の技法で検証されなければならない。

　AIMSを使うと、特定の照明モードにおいて、CD-SEMでは測定できないすべてのばらつきと材料欠陥など、マスクレベルでのCDばらつきを測定することができる。^4）しかも、AIMS測定は、照明設定と形状サイズに依存するMEEFを含んでいる。ウェーハレベルでMEEF増加をもたらしたレジストコントラストは、（今後のソフトウェアリリースで可能になるかもしれないが、）含められない。

　図5は、マスクとウェーハの両レベルで測定された、バイナリーパターンの領域内CDフィンガープリントを示す。ゲート層にある形状の空間像CDを割り出すため、まずWL7が評価される。マスク上の中心位置サイズ（つまり40nm）にWL7を転写するため、しきい値が決定される。このしきい値は、ワード線パターン内とマスク面内のどちらにおいても、他の重要な形状のCDを計算する際に使用される。評価された形状すべてにフィンガープリントがよく合うということは、マスク上のCDばらつきがウェーハ上のCD均一性を決定付けることを示している。これは、WL7、WL2、SP1のように密のワードライン/スペースに言えるだけではなく、WL1、SP0、SGなどの半分密または半分粗の形状にも言える。後者はウェーハ上の焦点エラーに対してはるかに高い感度を持つ。

　図6は図5の評価形状に対応するCDの平均値と領域内均一性を示す。CD-SEMとAIMSによって測定されたゲート層の形状サイズは互いによく対応している。最大ばらつきは4.4nmであったが、測定ツールを較正していないことを考えると、驚くほど小さい。CD-SEM測定はレジスト膜、AIMS測定は空間で行われた。両計測器による測定位置は全く同じではない（つまり、フラッシュ構造は同じ形状だが全く同じX-Y座標ではない）。ウェーハ上のワード線パターンのCD領域内均一性は、マスクCD均一性より大きいが、これは予想通りである。なぜなら、ウェーハ測定には、領域内ドーズと露光装置のフォーカスエラー、およびフォトレジスト層が原因のMEEFの増加が含まれているからだ。しかし、図6は、マスクのCD均一性がウェーハ上の最終的なCD均一性を大きく左右することを明確に示している。レジスト膜における形状間のCD均一性の違いは、マスクレベルでのCD均一性の違いと密接に関係している。

図7　評価形状すべてのBossungプロット図は、マスクレベルのAIMS測定（左）とウェーハレベルのCD-SEM測定（右）間で良い相関関係を示している

図8　このグラフはAIMS（左上）とCD-SEM（左下）を用いたSG、WL1、およびWL2の形状中心位置エラー測定と、同2測定の相関関係プロット図（右）を示す

　図7はゲート層で評価された全ての形状のBossungプロット図である。我々は、マスクレベルの焦点値からウェーハレベルの焦点値に変換するため、XT:1900Giのマスク—ウェーハ換算率を用いた。同換算率とAIMSソフトウェアで使用されている非近軸の公式の違いは約10％である。^5）選択ゲートが良好な像の整合性を示す焦点範囲は、マスクレベルではAIMSで正確に測定できる。この焦点が重要な形状に関して、AIMSとCD-SEMの両測定では最大焦点深度（DoF）が130nmである。AIMSは他の形状の焦点範囲をわずかに広く測定する。なぜなら、空間像測定では、パターン倒れ（最小分解能構造ではウェーハ上のDoF制限因子の1つ）などレジストによる影響のデータを得られないからだ。しかし、焦点感度はわずかに低く測定されるものの、空間像のBossung曲線はレジスト膜のBossung曲線によく対応している。

　図8は両測定技術を使って測定された形状中心位置エラーを示す。SGは最良焦点で2nmシフトし、60nmに向かって焦点が外れると最大9nmまで増加する。WL1はSGと逆方向にシフトし、最良焦点で−7nm、60nmに向かって焦点が外れると約−11nmシフトする。WL2は最良焦点で−4nmとシフトが最も小さく、フォーカス時もほとんど安定した状態を保つ（60nmに向かって焦点が外れると約-5nmシフトする）。
　オーバーレイバジェットがCDノード（この場合、8nm）の20％であり、そのうち4nmのエラーは、これらモジュール内オーバーレイエラーの許容範囲と仮定すれば、形状中心位置エラー（シフト）がオーバーレイバジェット全体のほとんどを占め、露光装置とレチクルのオーバーレイエラーにはバジェットが残らない。しかし、8nmという大きなオーバーレイバジェットを同位置エラーに割り当てても、焦点範囲は±40nm以内で制御されるべきだ（WL1が制限形状）。つまり、必要な焦点制御は、CDばらつきよりむしろフォーカス時の位置エラーに大きく左右される。

　図8から導き出されるリソグラフィ的意味合い以外に、マスクレベルでのAIMS測定とウェーハレベルでのCD-SEM測定との間の一致は注目に値する。図8の相関関係プロットは、AIMSとCD-SEMによる両モジュールの測定データが統計的にほとんど同じであることを示しており、CD-SEMの測定誤差が1.0nm、AIMSの測定誤差が0.4nmと推定される。これらの測定誤差は、ウェーハの反りとプロセスによる局所的なCDばらつき（CD-SEM）、局所的なマスクCDばらつき（AIMS）、および位置エラー（追加的なL/S測定）の計算方法から累積される測定誤差を含んでいる。これらの結果に達するため、我々は元の測定曲線を二次多項式に合わせて測定ノイズの大部分を取り除き、1：1比で最良焦点を中心に集めて、中央スペース（SG-SG）のサイズを較正した（それは、形状中心の計算で参照される）。