Metrologyの現状と課題のReview - JEITA半導体部会semicon.jeita.or.jp/STRJ/STRJ/2007/7C_Met_Kawamura.pdfWork in Progress - Do not publish STRJ WS: March 7, 2008, WG11 Metrology

1STRJ WS: March 7, 2008, WG11 Metrology Work in Progress - Do not publish

Metrologyの現状と課題のReview

メンバー河村栄一（富士通）山崎裕一郎（東芝）岡本彰（SONY）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）本田和広（日本電子）


略語の説明

• LER: Line Edge Roughness（線分の荒さ）

• LWR: Line Width Roughness（線幅の荒さ、ゆらぎ）

• CD: Critical Dimension• SEM: Scanning Electron Microscope• TERS: Tip Enhanced Raman Scattering• NBE: Nano Beam Electron Diffraction• CBED: Convergent Beam Electron Diffraction• FIB: Focused Ion Beam• TEM: Transmission Electron Microscope• STEM: Scanning Transmission Electron Microscope• SE: Secondary Electron


2007年度のupdate内容

• PrecisionをUncertaintyに変更

⇒precisionはsingle tool 3σ reproducibilityに限定される。本年度、装置間差、サンプリングによるバイアス変動を包含したuncertaintyに変更＠ITRS SF

• 上記に併せてSamplingのsectionが追加

• FEPロードマップにおいて、ゲート絶縁膜の膜厚計

測のテーブルを細分化、メタルゲートの仕事関数計測のロードマップを拡充


PrecisionとUncertainty

Precision

Precision+Tool matching

Precision+Tool matching+Fab matching

22222 333yUncertaint otherSMpi

itotal σσσσσσ +++=== ∑σP (Precision), σM (Matching), σS (Sampling) and σother (inaccuracy and other effects)

従来の P/T (Precision to tolerance) = 6σ / (UL-LL) の σ = σ total

Fleet Measurement Uncertainty


Sampling sectionの概要

• APCで重要な制御単位（例：ロット）の計測の平均値の信頼性はsamplingに依存する。

• Samplingにはバラツキの要因に対する理解

が必要。

• CD-SEMとScatterometryでは測定原理が異

なるために必然的な差が存在する。

• 与えられたsamplingで計測の信頼性を定量

化するには将来に渡っての研究・議論が必要。


ITRS Metrology RoadmapITRS Metrology Roadmapににおけるおける““歪の歪の””StatusStatus

• 2007 is the first year when ITRS handles stress/strain measurement requirements table in the chapter of ITRS Metrology.

• Requirements for mass production line is still under research including cross-cut meetings with FEP (Front End Process) and PIDS (Process Integration and Device Structure) Technology Working Groups of ITRS.

• Current table is a tentative one as of July 2007.


Areas of ConcernAreas of Concern

• Local Strain/Stress Measurement

STI

Strain/Stress

STI Channel

Stress LinerMeasurement Point

pMOS nMOS

Ghani, et al (Intel)

Relatively small laser spot(Visible light)

with deeper penetration

Wide laser spot for extracting average stress

Small laser spot for extracting single Tr. stress

Cross sectioningfor TEM


Proposed RoadmapProposed Roadmap

(nm)

(nm)

New table for Local Stress/Strain Measurementneed inputs from FEP and PIDS

Year of Production 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015DRAM ½ Pitch (nm) (contacted) 65 57 50 45 40 36 32 28 25MPU/ASIC Metal 1 (M1) ½ Pitch(nm)(contacted)

68 59 52 45 40 36 32 28 25

MPU Physical Gate Length (nm) 25 22 20 18 16 14 13 11 10

Front End Processes Metrology Technology Requirements—Near-term Years

Spatial resolution(Offline, destructive, single Tr.)

Spatial resolution(Inline, non-destructive, Test pattern for average stress measurement)

Stress measurement with 50MPa resolution

Same size with HP

1/5 of Gate Length

Throughput (wafers/hour)(Inline, non-destructive, Test pattern)

25 sites per wafer

Using test pad of 100um X 100um

22.22.62.83.23.644.45 22.22.62.83.23.644.45

252832364045505765 252832364045505765

100100100100100100100100100 100100100100100100100100100

222222222 222222222

(hp)


ITRS Metrology FEP RoadmapITRS Metrology FEP Roadmap

Year of Production 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013DRAM ½ Pitch (nm) (contacted) 65 57 50 45 40 36 32MPU/ASIC Metal 1 (M1) ½ Pitch(nm)(contacted) 68 59 52 45 40 36 32

MPU Physical Gate Length (nm) 25 22 20 18 16 14 13Metrology for stress/strain in channel andactive areaSpatial resolution (nm) of off-line stressmeasurement at 50MPa resolution 5 4.4 4 3.6 3.2 2.8 2.6Spatial resolution (nm) of in-line stressmeasurement at 50MPa resolution 65 57 50 45 40 36 32Throughput of in-line stress measurement(Wafers/hour at 25 sites/wafer) 2 2 2 2 2 2 2

Manufacturable solutions exist, and are being optimizedManufacturable solutions are known

Interim solutions are knownManufacturable solutions are NOT known

Table 120a Front End Processes Metrology Technology Requirements—Near-term Years


Review of Stress/Strain Measurement MethodsReview of Stress/Strain Measurement Methods

Tentative

Wafer

Die

Transistor Level

Micro-Area Level

- CBED

- NBD

- TERS

- Confocal Raman- PhotoreflectanceSpectroscopy

- XRD

- Die level flatness - Laser Interferometry- Coherent Gradient Sensing

- Laser Interferometry

- Coherent Gradient Sensing

Area of Interest Measurement Method

TERS (Tip Enhanced Raman Scattering)CBED (Convergent Beam Electron Diffraction)NBD (Nano Beam Electron Diffraction)XRD (X-ray Diffraction)

Destructive

Non-Destructive

Stress StrainMeasurement

Area

20 MPa

100 MPa

50 MPa

20 MPa20 MPa

10 MPa

Sensitivity

0.02%

0.1%

0.05%

0.02%0.02%

0.01%

10-20nm

~10nm

<50nm

~150nm1um

　100um

Destructive

DestructiveNon-Destructive

Non-Destructive

Non-Destructive

SampleThickness

<100nm

<300nm

10 MPa 0.001% wafer

* Stress – Strain relation : need to be clarified

Han

dlin

g A

rea

of I

TRS


StressStressに関するに関するSummarySummary

• The first stress/strain measurement roadmap of ITRS is presented.

• Since the current table is a tentative one, inputs or comments are welcome from the people related to or interested in this subject.

• Stress/strain measurement roadmap table is going to be modified or updated according to those new information.

• Your help would be appreciated.

⇒ 2008年度の活動としてUpdateを予定


LER/LWR measurementのStatus

•Test method is approved as a SEMI standard in Nov./2006 andis available at SEMI homepage

P47-0307：“Test Method for Evaluation of Line-Edge Roughness and Linewidth Roughness”

•Suggested measurement parameters are Measurement length L : 2um or longerSampling interval ⊿y : 10nm or less

•One of our collaboration results among TWGs and related people

0.2 um

L Δy

Courtesy of A. Ymaguchi (Hitachi)


2007年度の活動内容

国際会議• LER/LWRがSEMI standardに登録

• 3Dの形状計測の必要性の継続議論（非破壊が理想であるが、現実解として、in line FIB + TEMのsample作成、計測の短TAT化要求大、2006年～）

• ２重露光の方式に対応した計測の継続議論（２重露光のOLは45 nm世代から破綻）

• “歪み”の新規追加要求項目としてWG11より提案、合わせて現在技術レビューを実施。

• 3Dのinterconnect metrologyに関して、新たな課題としてメモリデバイスの３D構造計測のニーズが提示された。

国内活動

• 計測のヒアリング（3D計測）

• 計測技術動向調査


活動報告（Metrologyの技術動向調査）

• 収差補正器による電子顕微鏡の空間分解能の向上（TEM, STEM, wafer-CD-SEM, mask-CD-SEM, Review-SEM） ⇒ 適用領域の拡大

• 3D計測技術の現状と課題

- ２次電子による形状予測

- TEM + tomographyによる3D形状の再現

- He ion顕微鏡による表面観察

- OCDによる3D形状推定

- Atom Probe, SAXSは2006年度報告書既報


電子顕微鏡における空間分解能の向上

（収差補正技術の確立）


収差補正の原理技術、実用化の壁、何故CEOS社で実現できた？

•理論はドイツのScherzerらによって1930代に考案

•Rose, Haiderへ技術が継承、大学でデータが蓄積

•1970年代実用化に近いレンズシステムが考案

•1980年代加工技術及び計算機能力の向上によって、実用化

のインフラ整備

•Zachらによって、複数のレンズの自動制御技術が大きく発展

•1995年 SEMに於いてCs・Ccの同時補正実証(Zach)

•1996年 Haider, ZachによってCEOS社が設立

•1998年 TEMに於いてCs補正実証(Haider)

•収差補正機の商用化が2004年～開始


収差と空間分解能の関係空

間分

解能

収束半角

３次

５次

回折収差

幾何収差

回転対象電磁界レンズでは球面収差を補正することはできない。

回折収差と幾何収差とで制限され、最適開き角において最小分解能を得る。

幾何収差は開き角の次数で定義され、通常3次で制限されている。

収差補正は3次収差を補正するもので

ある。

回転対象の条件を外すことで、球面収差を補正できるが、著しい非対象性も生じるため、多段の多極子を用いて円形ビームを維持している。(収差補正)

α

∝α3


電子ビームの収差事例

under

just

over

aberrationfree

dfC 1A 2B 2A sC 3S 3A

Electron beam

Image plane

aberration free

defocus 1st order astigmatism

coma 2nd order astigmatism

spherical star 3rd order astigmatism

提供：日本電子


TEM/STEMにおける収差補正技術の説明

STEM corrector

TransferLens

TransferLens

Hexapole

Hexapole

Objective lens

f

ff

f”

f’

f”

f’

f

CM lens

specimen

６極子タイプの球面補正レンズの開発

Coma free plane≒ front focal plane

Field　ray　

Axial　ray　

最終的には負のCsを作り出し、トータルＣｓ＝０となる

Cs(OL)+(-Cs(corrector))=0

３次項

２次項

光軸Z

6極子場

B

AA

B

(a) (b) (c)

6極子

S

N

NN

S

S

Z

適切な六極子場は方向性をもった2次収差と‘負’の回転対象な球面収差を発

生する。反対象な六極子をもう一段追加することで、方向性をもった2次収差をキャンセルし、‘負’の球面収差のみを

発生させることができる。



電子顕微鏡における収差補正技術

cos6θ(impossible)

cosθ cos2θ cos3θ cos4θ cos5θ

sinθ sin2θ sin3θ sin4θ sin5θ sin6θ

1

dipole quadrupole

hexapole

octupole

decapole

dodecapole

Electron beam

収差補正器はCEOS社製造で、制御系が電子顕微鏡ベンダーの独自開発

Corrector is consist of multipole lenses which generate several multipole fields.Corrector is itself very complicated, however, it acts like one lens that allows us easy operation without any conscious of using it.

４極

子による色

収差

補正

例



収差の自動調整技術の確立

(a) Cs=1.6mm (b) Cs=0

start end

under

over

before after

automatic aberration correction

Under and over focused probe shapes in the process of the automatic aberration correction. 提供：日本電子


収差補正技術によるSEMの空間分解能の向上例

α αAperture angle

Electron beam

SE

Au particle on carbon

SE

Aberration corrected image shows the stronger contrast than the conventional image because the corrected electron beam is confined within very smaller area which allows not only the smaller probe but also the better S/N ratio of the image signal.



収差補正器のマスクのCD-SEMへの応用（複合技術による進歩）

• 低真空技術（差動排気技術）による表面チャージの中和能力UP ⇔ 分子の電離の

際の電子によるノイズが増加（試料２次電子とのS/N比悪化）

• 加速電圧の抑制による２次電子の放出率のUP ⇔ 収差の影響による分解能の悪化

• 収差補正器（収束半角UP）による空間分解

能の向上


低真空技術（差動排気）

低真空のメリット：O2/N2の電子の衝

突による解離による＋チャージの試料表面の電子のチャージの中和

低真空のデメリット： O2/N2解離の際

の電子が資料からの観察２次電子信号のノイズになる


低真空技術＋収差補正器による計測精度の向上

1.5kV 7pA FOV 1.0um


収差補正技術によるSTEMの空間分解能の向上例

HAADF-STEM images of Au(100) single crystal by using the original STEM (Left) and Cs-corrected STEM (Right). The lower images are power spectra of each HAADF-STEM images. The convergence semi-angle of electron probe is 8 mrad for the original STEM and 25 mrad for corrected STEM, respectively.

Cs-correctedUncorrected

0.2nm0.2nm

提供：日立ハイテクノロジーズ


収差補正技術のまとめ

• CEOS社による3次の収差補正技術の確立

によって電顕の空間分解能が大きく向上した。

• 収差補正器＋real timeの自動調整機構の確

立によって量産ラインでの電顕の実用化が進んだ。

• Mask-SEMに関しては、低真空技術と併せて

チャージレスの計測が実現した。

• 収差補正器は、電顕への応用が進んでいる。


２次電子のwave formによる形状推定

必要性•簡便で短TATな形状推定

•フォーカス、ドーズ量の推定


２次電子のWave formからの形状予測

断面の画像

トップダウン画像

BottomCornerRound

Top Width

SidewallAngle

SidewallAngle Index

SidewallAngle Index

Footing IndexFooting Index Top WidthIndex

Top WidthIndex

SE profile

微分profile

Multiple Parameters Profile Characterization

提供：日立ハイテクノロジーズ２次元予測から３次元化へ


２次電子による２D～3D形状計測の課題

• ２次電子であるため、真の表面情報では無い• ２次電子波形と実際の3D形状との適切なフィッティングパラメータが必要。またフィッティング工数が掛かる。

• ２次電子情報は、サンプル形状が同じでも、表面状態、基板構造によっても変化するため、その対応が必要。

• ２次電子のシミュレーションの高精度化と応用が３次元形状推定に必要。

• (２次電子で本質的に形状計測が可能なのか？⇒ He ionが方向性として解なのか？⇒ 最終目的に依る？）


TEM + Tomographyによる3Dの再現

必要性•TEMで困難であった任意の切断面の再現

•インライン計測によるプロセス診断


TEM image recording for tomography

Coniometer

Specimen

Objective lens

Imaging shift coilProjective lens align

Auto focus

Image truck

Screen

X-tilt

1.Tilting

2.Image tracking

3.OL-focusing

4.Image tracking

5.Recording

SS-CCD camera

Monitor & Record

e-

提供：材料の科学と工学2006No5


電子線トモグラフィーの原理F(X,Y)

X

Y

フーリエ変換

フーリエ変換

ラドン変換

e-

e-e-

角度情報を積算してF(X,Y)を構成

逆ラドン

変換

資料

X

θ

θは、±60～80°で、～0.5°stepで計測、1step～15sec

200～300KeV


TEM + tomographyのCu配線再現像

提供：東レリサーチセンター


Gate 3D形状の再現によるラフネス計測

提供：東芝＆東レリサーチセンター


電子線トモグラフィーの課題

• 資料の回転軸の精度が無いために角度を変えながら回転軸中心をソフト的に探索する必要がある。現状解消されているが、メカニカルな精度は、良い事が望ましい。

• 資料は金太郎飴が理想（四角のコーナーの画像の再現性劣化）

• 絶対基準をどこに置くか？電子顕微鏡は、デフォーカスで大きさが変化するため絶対参照が必要。（例：CBED、NBDによる歪み計測の際のbare-Si基盤の格子参照のような）

• 試料作成プロセス（マイクロサンプリング技術）の簡便化（FIB，CPの使用）とインライン適用技術の確立

• 画像再現のデータ変換時間が数分であるのに対して、計測時間が一角度毎に15 sec程度かかるため輝度の向上や、シンチレータの高感度化が必要。


(He-)ion顕微鏡の現状と課題

必要性•< 32 nm nodeのCD計測（CD-SEM）

•表面状態の観察

•欠陥Review（Review-SEM）

•3D形状計測


Atomic Level Ion Source ALIS

• FIM tip created via chemical etching• ALIS tip formed with additional reshaping• 3 atom shelf called the “trimer” created through field evaporation• Single atom selected to form the final probe• Results in a sub-angstrom virtual source with high brightness (4x109 A/(cm2

sr)) and low energy spread (<1eV)

FIM

ALIS

提供：ALIS Corporation


Secondary Electrons:• Provide detailed localized surface information• Yield varies greatly with material

…ranges from ~2 to ~8• Yield varies with topography

…varies as 1/cos(α)• SE energy mean ~ 2 eV •Yield easily altered by local E & B fields•Short SE range permits imaging of Low Z materials

Helium Ion Microscope-SE画像-



Layer Detail,Not easily seen in an SEM

Al oxide or contamination.Not seen in an SEM

Ions: He+ (Ne, Ar, etc)Current: 1 to 20 pAEnergy: 5 to 45 keVResolution: 0.9 nm’s @ 45 keVDetectors: ET & MCPStage: 5 Axis, 50,50,15 mm’s of X,Y & Z




Aluminum Posts on SiliconSurface contamination transparent to electrons but visible in He+ SE Mode

Helium IM (Olion) SE画像通常のSEM 画像

Al oxide or contamination.Not easily seen in an SEM



(He-)ion顕微鏡の課題とまとめ

• 振動が最大のノイズ源で、設置環境を含めてCR仕様になり得るか？ ⇒ 今後の議論から

• イオンソースの安定化、長寿命化は依然課題である。

• 現在のイオンソースでは電流量が少なく、観察SEM, CD-SEM程度への応用は可能と思われるが、高速検査・計測に向けた大電流化（高輝度化）はおおきな課題である。

• 画像構築のメカニズムが依然不明確であるため、原理的なstudyも今後必要。また、将来的にはモデルの構築によるSimulation予測技術の展開にも期待。


OCD (Optical CD Metrology)

必要性•非破壊の3D構造計測

•フォーカス、露光量推定


OCDによる形状推定

(a) プロセス上で変動しうる形状 (b) 形状モデルの設定

(c) ライブラリー作成(d) 計測スペクトル

形状推定


OCDの計測対象要求

(a) FEPの構造

(b) 多重スペーサーTr構造

(c) Interconnect構造


OCDの現状と課題

• 現状は、形状モデルとして、光学定数（n, k）がfixの条件で、dimensionのiterationを行っているが、実際のn, kを正確に計測することは不可能であるため、n, kについてもiterationが必須。

• 今後モデルの柔軟性と計算機能力の向上が必要。


まとめ• 2007年度のロードマップのアップデートを実施

• WG14の活動方向としてMetrologyの技術動向調査を報告

-電顕の空間分解能が収差補正器の登場で飛躍的向上した。また適用範囲が、TEM, STEM, wafer-SEM, mask-SEMへと展開

-３D計測技術として、SEによる形状推定、TEM + Tomographyによる任意断面形状の再生、3Dの再現、He-ion顕微鏡による表面観察、OCDによる3D形状予測について、現状と課題の調査を報告

• プロセス診断として、in lineのFIB+TEM観察は、ここ2年での流れが顕著に感じられる。非破壊の3次元形状計測についてはOCDのモデルの改善、 SAXSの実用化が期待される。

Documents

Metrologyの現状と課題のReview - JEITA半導体部会semicon.jeita.or.jp/STRJ/STRJ/2007/7C_Met_Kawamura.pdfWork in Progress - Do not publish STRJ WS: March 7, 2008, WG11 Metrology