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とよみおなか
5 years ago
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1 1 Litho 計測の現状と課題 ( 計測 WG) & 故障解析 SWG 活動状況報告

2 2 Litho 計測の現状と課題 ( 計測 WG) メンバー河村栄一 ( 富士通マイクロエレクトロニクス ) 山崎裕一郎 ( 東芝 ) 上澤史且 (SONY) 清水澄人 ( パナソニック ) 横田和樹 (NECEL) 市川昌和 ( 東京大学 ) 水野文夫 ( 明星大学 ) 小島勇夫 ( 産総研 ) 池野昌彦 ( 日立ハイテクノロジーズ ) 西萩一夫 ( 堀場製作所 )

3 2010 ITRS update Flash 1/2 pitch (nm) Gate DRAM ½ Pitch (nm) MPU Printed Gate Length (nm) MPU Physical Gate Length (nm) Wafer Overlay Control (nm) - 20% DRAM Wafer Overlay Control Double Patterning (nm) Lithography Metrology Physical CD Control (nm) Allowed Litho Variance = 3/4 Total Variance Wafer CD metrology tool uncertainty (3σ, nm) at P/T = Dense Lines Etched Gate Line Width Roughness (nm) <8% of CD Printed CD Control (nm) Allowed Litho Variance = 3/4 Total Variance Wafer CD metrology tool uncertainty (3s, nm) at P/T = Double Patterning Overlay Metrology Double Exposure and Etch - Process Range (nm) Double Exposure and Etch - Uncertainty (nm) Spacer PEE process First pass CD control (after etch) - Process Variation (nm) First pass CD control (after etch) - Uncertainty (nm) Front End Processes Metrology High Performance Logic EOT equivalent oxide thickness (EOT), nm Logic Dielectric EOT Precision 3σ, nm Interconnect Metrology Barrier layer thick (nm) Void Size for 1% Voiding in Cu Lines Detection of Killer Pores at (nm) size P/T: Precision to Tolerance ratio 3

4 4 Overlay 計測マーク等に関する要求 New lines for 2009/2010 ITRS in table MET3, by Bunday, based on ISMI Member Company feedback Year of Production Flash ½ Pitch (nm) (un-contacted Poly)(f) DRAM ½ Pitch (nm) (contacted) Target Pad Size for OCD/scatterometry or Diffraction Overlay, or Target Size for Optical overlay (max size for either, square pad, size in microns) In-die Micro-Targets for Overlay or OCD (target pad size in microns). Dimension includes all needed exclusion. Move-Acquire-Measure Time for CD or Overlay (MAM time, seconds per measurement) OCD: Optical Critical Dimension( 光を用いた最小線幅計測 )

5 年度活動概要 ITRS での活動内容 Topics 1. 将来必要となる計測技術の開発ロードマップを提示量産開始 (2 社 ) の 8 年前に研究ツール 6 年前に α ツール 4 年前に β ツール 2 年前に量産ツール ( 精度要 ) が必要 2.Litho 計測では CD 計測の将来技術調査を実施 ( 米 ISMI) 2010/6 月 ~10 月の間に survey 実施結果は 2011 年版に反映 3.Overlay 計測ロードマップについて検討計測ターゲットのサイズと計測点数に対して新たな要求 4.ERD/ERM X-cut にて解析技術ニーズが増大国内活動 1.Lithography の計測技術調査 2. 故障解析タスクフォースに参加情報の共有 CD: Critical Dimension( 最小寸法 ), ISMI: International SEMATECH Manufacturing Initiative ERD: Emerging Research Device( 新探求デバイス ), ERM: Emerging Research Material( 新探求材料 )

6 Litho 計測調査の背景 EUV が遅延する状況下における Double Patterning の重要性が増加 Spacer 方式は Overlay 精度に直接影響されないが他の方式は Overlay 精度が critical Overlay 計測技術調査微細化が継続的に進む中で Computational Lithography の高精度が重要 ( 今まで補足できていない hot spot and/or Double Patterning 対応 ) Computational Lithography のモデルの高精度化と共に計測による calibration の重要性が増加 Contour 計測技術調査 ISMI も Next Generation CD Technology Survey (June 2010) 公表 CD SEM の空間分解能及び OCD のモデル予測精度が微細化にどこまで対応できるか gray, 一方空間分解能の高い CD-SAXS や He-Ion 顕微鏡に関する実用性計測安定性商用化が現時点で gray OCD: Optical Critical Dimension( 光を用いた最小寸法計測 ) CD-SAXS: Critical Dimension-Small Angle X-ray Scattering( 小角 X 線散乱 ) 6

7 7 Overlay の要求と現状 Single 露光に関しては 22nm 世代まで Overlay 計測の要求値の coloration は白色で当面問題無し Double Patterning 技術の必要性に応じて露光装置の overlay 制御技術の要求の加速と対応する計測精度要求が高まっている現状使用されている Double Patterning は Spacer 方式のため overlay 律速になっていない

8 Overlay 補正モデルによる残渣の分解ウェーハショット内の高次の歪は systematic な要因が安定している場合高次補正によって total overlay は抑制される資料提供 ;KLA-Tencor 8

9 Overlay 誤差因子の分散分析誤差因子の寄与率に応じ計測 Sampling Plan および補正の次数を決定する資料提供 ;KLA-Tencor 9

10 光学式 Overlay 計測原理位置ズレ計測は主尺と副尺のパターンエッジの中心値の相対距離から算出されるエッジ長が短いとエッジの揺らぎによる真のエッジ中心の位置精度が低下する資料提供 ;KLA-Tencor 10

11 11 Overlay Target の縮小事例 In-die-mark は縮小の可能性はあるが LER 等の影響で測定の困難なレイヤーでは計測精度との trade-off の関係にある

12 12 Contour 計測の必要性各種 RET(Resolution Enhancement Technology; 超解像技術 ) に対応する正確な CD and/or 形状予測として Computational Lithography の高精度化が期待されている Computational Lithography による正確な 3D 予測による hot spot 検出 ( エッチング時のレジスト形状の考慮が必要な場合等 ) Double Patterning 時のパターン分割に伴う最終合成パターンの予測各プロセスステップにおける形状の検証正確な 3 次元形状予測 (and/or LER;Line Edge Roughness の考慮 ) をもとに TCAD と連携し特性予測および設計へのフィードバック

13 Computational lithography for Styles of DPT 略語 DPT: Double Patterning(2 重パターニング技術 ) 資料提供 : Synopsys 13

14 Computational lithography (Pitch Split Strategy for DPT and Stitching) 略語 DPT: Double Patterning 資料提供 : Synopsys 14

15 Computational lithography for Hot Spot 3 次元形状の Hot Spot 抽出レジストパターンエッチングパターン出来上がりと GDS との比較エッチングまで含めた Hot Spot 抽出が必要な可能性の検討等資料提供 : Synopsys 15

16 16 Metrology for Calibration of Computational Lithography チップ全域における DICD, FICD Contour Metrology 検証の必要性 ( 従来の Sampling との比較検証 ) ( 参考 ;2007 年度 STRJ Workshop & 年度報告書 ) マスク全域における Mask FICD Contour Metrology 検証の必要性 3D Metrology for 3D calibration of Computational Lithography GI-SAXS ( 参考 ;2009 年度年度 STRJ Workshop, 年度報告書 ) SEM 画像 Profile からの形状推定 ( 参考 ;2007 年度 STRJ Workshop & 年度報告書 ) DICD: Development Inspection Critical Dimension( 現像後の最小パターン寸法 ) FICD: Final Inspection Critical Dimension( 工程毎の最終検査段階の最小寸法 )

17 EIAS 広視野 SEM 検査技術 ( 分解能とスループットとのバランス ) Layout data Reference geometry Region to-be-inspected Inspection-unit-area Clipping area corresponding to image to-be-inspected [ STEP1 ] [ STEP2 ] Reference geometry Detected edge Reference geometry Detected edge Bias Profile [ STEP3 ] [ STEP4 ] Intensity Landing energy: 40 to 3000V Probe current : 500pA to 10nA (Verification Mode), 10pA to 1nA (High Resolution Review Mode) Pixel size : 2nm to 20nm FOV per step : up to 200 μm square (0.01% field linearity), by pixels Sampling rate : 200 M pixel/sec 提供 : NanoGeometry Research Inc. 17

18 広視野 SEM 検査技術 ( 感度比較 ) 広視野 SEM Capture Rate=80% for 8nm defect 広視野 SEM で 3Xnm 世代の欠陥検査が可能な状況提供 : NanoGeometry Research Inc. 18

19 広視野 SEM 検査技術 ( 観察対象の比較 ) Ex.) CD-SEM Ex.) NGR / OCD / CD- SEM(ACD 機能 ) Pin-point 計測を含め Sampling Plan によって真の計測平均値あるいは median 値との乖離が生じるこの乖離をもとに Computational Lithography の calibration を行う risk が存在する略語 ACD: Average Critical Dimension 提供 : NanoGeometry Research Inc. 19

20 Contour Metrology ( 計測結果事例 ) 設計上同一寸法であっても大量のデータを取得することで OPC のモデルの問題周辺 dummy パターンからの影響の見積もりの問題マスク精度上の問題も分離して理解され修正をすることでデバイス特性の安定化につながる提供 : NanoGeometry Research Inc. 20

21 21 まとめ Double Patterning に対応した Overlay 計測に関して高次の overlay 制御を行うための indie-mark の微細化と計測精度の両立が課題である Computational Lithography のモデルの高精度化のための calibration に必要な Full Chip レベルの contour 計測に関しては mask およびウェーハの対応した高 scan rate の SEM が現状 available である

22 22 故障解析 SWG 2010 年度活動状況報告リーダー二川清 ( 大阪大学 )

23 23 故障解析 SWG メンバー (2011/3/4 現在 )

24 24 故障解析 SWG での討議内容と講師一覧

25 25 He イオン顕微鏡 (HIM) 技術今年度の活動報告 - 装置概略と評価技術の現状と今後への期待小川真一産業技術総合研究所ナノ電子デバイス研究センター

26 26 He イオン顕微鏡の概略 Needle at 73 K 実際の He イオン像 (3 原子 ) 10 to 35 kv Aperture 電界引出による針尖端吸着 He 原子のトリマー (3 原子 ( イオン ) 対 ) 形成この内の一つをアパーチャーで選択し観察用ビームとして使用 Lens Sample

He イオン顕微鏡 ( 産総研機 ) の仕様性能 HIM: Helium Ion Microscope SE: Secondary Electron(2 次電子 ) MCP: Micro Chanel Plate RBS: Rutherford Back Scattering HIM SE Mode Resolution 0.35 nm 現状レベル :0.21~0.

27 He イオン顕微鏡 ( 産総研機 ) の仕様性能 HIM: Helium Ion Microscope SE: Secondary Electron(2 次電子 ) MCP: Micro Chanel Plate RBS: Rutherford Back Scattering HIM SE Mode Resolution 0.35 nm 現状レベル :0.21~0.39nm Beam Landing Energy 10 to 35 kev Beam Current 0.1pA - 25pA > 10 9 A/(cm 2 sr) Detectors 1.Everhart Thornley for Secondary Electrons (SE) imaging 2.MCP for Rutherford Backscattered Ion imaging (RBI) 3.RBS Sample Surface Neutrality Maintained by low energy electron Gas Injection System W. TEOS Gases for Deposition XeF 2 Gas for Etch 27

28 28 Cu/Low-k 配線プロセスでの Low-k パターン観察例 140 nm Pitch Uncoated 60 nm, 3.1 k, cap layer 5 nm SiCN layer 100 nm, 2.4 k, layer 500 nm, SiO 2 layer 50 nm S Ogawa et al, Jpn. J. Appl. Phys., 49 04DB12 (2010) Image Shows Surface, Sidewall and Floor Detail with <1nm Resolution 低ダメージ ( 材料の変形はほとんど無し ) 深い焦点深度 (HIM は基本的に点光源 1:1 光学系の長所 )

29 何故 Low k 材料が変形しないか? HIM 観察は熱負荷が少ない! Power Density in SiO 2 for Ions and Electrons under Typical Imaging Conditions SEM 観察 ( 数 10pA) HIM 観察 S Ogawa et al, Jpn. J. Appl. Phys., 49 04DB12 (2010) 観察時の照射ビームによる熱負荷 : HIM 観察は SEM に比べ 3 桁小! 29

30 30 HIM 観察は熱に弱い材料の観察に有利鼠の肺細胞観察像従来の SEM 観察などで用いる固定はせずフリースタンディングで観察 1 um 観察中でもビーム照射による微細繊維状細胞が動かず安定な観察可能

31 31 Low k 膜絶縁層下部の Cu 配線観察例 HIM Observation Direction M1 (Cu) M1 (Cu) Seen through 130 nm low k Vias 30nm SiO2 cap 100nm Low - 100nm Low k (k= 2.3) M1 (Cu) Vias M1 (Cu) Vias Seen through 130 nm thick low k S Ogawa et al, Jpn. J. Appl. Phys., 49 04DB12 (2010) Low-k 膜絶縁層に埋もれた M1(Cu) 配線 ( 結晶コントラスト含む ) が観察可能

32 32 何故絶縁膜中の Cu 配線 ( 結晶コントラスト含む ) が見えるか? 入射 He イオン (1) (2) 絶縁膜表面バリアの越え方? 二次電子二次電子絶縁膜二次電子反射 He イオン He イオンチャネリング Cu 配線今後検証実験および現象の理解が必要

33 33 He イオン顕微鏡観察評価技術の特徴と課題利点高分解能チャージアップ小 ( 低電流 ) 表面敏感 ( 導体 ) で材料コントラスト大低ダメージ ( 従来の SEM TEM などに比べて熱負荷小 ) 生まれたままの姿が見える! ( 材料プロセスデバイス開発で重要 ) 特にカーボン系有機バイオ材料に強み深い焦点深度絶縁膜内部の構造体の二次電子像観察可能 GIS を用いた数 nm サイズの薄膜堆積微細加工可能課題 (HIM の特性をよりユニークに発揮するため ) He イオンと試料表面近傍との衝突相互作用検出像の理解が今後極めて重要 -He イオン注入エッチングなどの現象メカニズム -He イオン照射による個体表面近傍からの二次電子発生絶縁膜内での二次電子拡散 / 結像現象メカニズム

スライド 1

スライド 1 / Lithography Conventional DRC+Lithographic DRC (Metrology: SEM OPE ) CD-SEM IP CD-SEM Hot Spot 1 DRC: Design Rule Check CD-SEM: Critical Dimension-Scanning Electron Microscope Hot spot: Systematic defect: