計測
45nmノードのプロセスで用途が拡大するウェ ーハ・レベル計測 Paul MacDonald, Greg Roche, Mark Wiltse -– KLA-Tencor Corporation
製造装置のトラブル・シューティングやモニタ等、多岐にわたるプロセスの最適化にKLA-TencorのIntegral™ 、SensorWafers™を はじめとする計測用ウェーハの用途が広がっている。これらの専用ウェーハには高精度かつ時間系列で計測を行うための計測 装置一式が組み込まれており、ダイナミックに変動するプロセス環境に対するウェーハの挙動を調べることができる。
パターン微細化への流れが続いた結果、従来の形式の計測デ ータに加え、リアルタイムでの装置データを統合する必要性 が出てきた(1)。半導体業界では、プロセス装置との関連にお いて計測データを、オフライン（ラインから切り離した解析 のための計測）データ、インライン（プロセス直前・直後の 計測のために装置と直結または近傍での計測）データ、およ びin-situ(プロセス中での計測のために装置内に組込み計測） に分類・定義している。ITRSのMetrology and Factory Integration分 科会も2007年版改訂のロードマップに「オフライン／インラ イン／in-situ計測」の分類を記載することになっている(2)。 計測用ウェーハは、空間分布（オフラインデータ）と同時に リアルタイム情報をプロセス内部から収集する（in-situデー タ）だけでなく、これらの計測値をプロセス直前直後に読み 込む（インラインデータ）ことができるという点で、上記の 3つのカテゴリ全体を網羅するものとして位置付けられる。次 節では、45nmノードに関連するさまざまなアプリケーション 事例について取り上げ、計測用ウェーハの用途を考察する。
物理気相蒸着（PVD）：Cuバリヤー／シード形成における温度分布 のチャンバ間マッチング
半導体工程にCu配線が導入されたことにより、シード・レ イヤおよびバリヤー形成に細心の注意を払う必要が出てき た。成膜温度の低下に伴い、ワイヤレス方式のセンサ・ウ ェーハは、成膜プロセスの特性を評価し、チャンバ間マッ チングを実現する上での有用な手段となっている。 2つの量産用Cuシード形成チャンバを、様々なRF電力および チャック温度条件で比較調査した(3)。室温、低温、および超 低温の各カソード温度条件に対し、低電力および高電力条 件を評価した。図1aおよび1bに基準条件（低電力、低温） を示す。この図から、2つのチャンバ間では熱の均一性と平 均温度に差があることが一見してわかる。チャンバAでは、 ノッチ近くのエッジの非均一性が顕著である。チャンバBで は、同心円状でほぼ均一なパターンであり、温度レンジが 狭い範囲に収まっている。SensorWaferの実行で得られた温度 の空間分布データを、RF電力およびチャック温度パラメー タでモデル化し検証を行なった。チャンバ間のマッチング 不良はノッチ付近に局所的に現れており、RF電力供給の非 均一性によるものと判断された。 化学気相蒸着（CVD）：プラズマ窒化工程
このCVD膜の良否は、成膜時のウェーハの温度に大きく依 存する。ウェーハ温度は、ソース電極およびバイアス電極 を通じてウェーハに供給される電力だけでなく、静電チャ ックや熱プレート内部の温度制御によって左右される。 a)
b)
Mean 81.121 Range 47.365
Mean 71.807 Range 33.599
図1：低電力、低温Cuバリヤー成膜： a) チャンバAの基準温度分布（左）、b) チャンバBの基準温度分布
2007年冬号 歩留まり管理ソリューション
|
www.kla-tencor.com/ymsmagazine
パターンの微細化に伴い、CVDプロセスは低温化してきた。 従来、熱処理CVD電気炉は600∼1000 °C で運用してきた。 プラズマCVD（PECVD）の導入で、ウェーハ温度は250∼ 550°Cにまで下がった。その後、45nmノードでの超low-k誘電 体やhigh-kゲート構造の到来により、ウェーハ温度はさらに 下がっている。近年、30∼50°Cの範囲のウェーハ温度を使用 し、超low-kバリヤー層としてPECVD膜が開発された(4)。一部 のhigh-kゲート材料に絶縁やバリヤーなどの特性を付加する ためにプラズマ窒化が実用化されている(5)。 14
計測
次に、低温プラズマ窒化プロセスで実験を行い、シーズニン グ・ウェーハがウェーハの温度分布に対してどう影響するか を調べた。ここでは、3枚のウェーハを使用したシーズニン グを1組として各シーズニングの前後にSensorWaferによる計 測を実行した（図3）。シーズニング・ウェーハの9枚目でチ ャンバは定常温度に達した。興味深いことに、シーズニング の過程で、ウェーハ面内温度分布が変化した（図4）。
Temperature ˚C
図2に、最大温度40°Cでのプラズマ窒化プロセスの温度特性 を示す。ウェーハがそのピーク温度に達する過程で温度の 均一性と熱挙動を一回のテストで把握できた。図の右側に 示すのは温度の空間（面内）分布である。
Time (s) 図2：常温プラズマ窒化プロセスの温度反応。各トレース線は1つの 温度センサを表している。トレース線が全体的に散在していること は、空間的な非均一性を示す
化学機械平坦化（CMP）
図5に、Integral SensorWaferによって収集された温度と時間の 追跡データを示す。これらの追跡では、全体の温度、ウェ ーハ全体にわたる変動、回転効果など興味深い温度データ 特性が見られる。
Temperature profile vs. seasoning wafers 6
T-mean T-range
38
5 4
37
3 36
2
35 34
1 0
5
10 15 Cumulative seasoning wafers
20
Temperature range (˚C)
39 Temperature mean (˚C)
化学機械平坦化（CMP）は、ウェーハの表面に研磨パッドを 接触させ、スラリーの物理的研磨作用と化学的研磨作用の両 方を組み合わせて膜の凹凸を取り除くプロセスである。この CMPプロセスで温度は制御対象になってないが研磨ヘッドの 回転速度、プラテンの回転速度、ヘッドの圧力、スラリー流 量などのいくつかの主要な制御パラメータに依存して温度が 変化する(6)。研磨時、プロセス条件の変化に対するウェーハ 表面温度の挙動観察にSensorWafersを使用した。
6
図3： シーズニング過程の温度分布推移
リソグラフィ時のベーク温度によるCDのチューニング
リソグラフィ工程は、SensorWafer計測の最も重要な応用分野 の1つである。線幅の微細化に伴い、リソグラフィのプロセ スは温度変動に対して敏感になっており、リソグラフィ・ セル内のプロセス制御と装置ハードウェア間のマッチング への負担が重くなっている。たとえば、SensorWaferは、ベー ク･プレートの温度調整に頻繁に使用される。温度の空間分 布（プレート面内分布）と時間変動（温度変化率）、さら にプレート間の温度マッチングに活躍する。計測された温 度分布データはリソグラフィ装置に保存される。これに基 づき、SensorWaferを使用して定期PMや異常発生時に装置状 態のモニタを行なうのである。 本研究では、SensorWafer出力を使用してCD制御を行なっ た。すなわち、露光後ウェーハのCDは、フォトレジスト のベーク・プレートの温度分布を調整することで最適化し た。温度分布の調整は以下の3段階で行う。 1) 基準となる温度データを収集する。 2) 最適制御入力を計算し、ベーク・プレートの各ゾー ンの温度を調整する。 3) 温度性能を検証する(7)。 この例では、48nm線幅のプロセスにおいて7つの温度ゾーン を持つPEBプレートの温度を最適化してCD制御を行なうもの である。専用ソフトウェア（AutoCD™）を使用して各ゾー ン温度の制御入力を計算し、1回の補正を行った。図6に、プ レート温度調整前および調整後のウェーハCD分布の結果を 示す。調整の結果、CDのバラつきの範囲は22%改善した。
2007年冬号 歩留まり管理ソリューション
|
www.kla-tencor.com/ymsmagazine
図4：シーズニング前（左）とウェーハ9枚によるシーズニング後 （右）の面内温度分布阿
Global temperature rise during polishing Across-wafer variation by radial zone Rotation effects Edge variation due to rotation is much greater than the center
20C 4C
2C /1sec
図5：CMP特性評価テストにおけるIntegral™ ウェーハを使用した温度 の時間変動データ
15
計測 プラズマ・エッチング
CD –50.97 – 49.50 – 48.02 – 46.65
Pre CD
Validation
Mean: 48.56 nm Normalized 3σ: 1
Mean: 48.83 nm Normalized 3σ: 0.78
図6：プレート温度分布の補正前（左）および補正後（右）のウェー ハCD分布
プラズマ・エッチングはSensorWafersの最も重要な応用分野 の1つである。プラズマ・エッチング・プロセスは非常に複 雑である。ウェーハのプロセス結果は、プロセス条件だけ でなく、エッチングされるデバイスの材料とパターン形状 にも大きく依存する (8)。それに加え、エッチャのチャンバ 内の状態も変動する。チャンバ表面は物理的な接触や化学 物質への暴露により変化する。エッチング結果は通常、温 度に大きく依存するので多くの場合、温度がウェーハ表面 のプラズマ状態の指標として適している。通常、市販の反 応炉ではソース電極とバイアス電極に対して電力を供給す る。以下は、エッチング工程におけるSensorWafersの基本的 な事例を４つ示す。 プラズマ・エッチング例1：温度によるチャンバの定期点検後の診断
Chamber Deviation
エッチャのプロセス・チャンバでは、一貫したデバイス性 能を実現するために頻繁に定期点検（PM）作業を行う必要 がある。SensorWafersには、チャンバの健康状態を診断する ためのポータブルで強力なプラットフォームとなる。
Recovered Chamber
20T - Range [All] 11.55 10.13
UCL
8.70 7.27
Nominal
5.84 16141210 8 6 4 2 0
4.41
Time Units
図7：SensorWafer計測による温度のS管理図と面内温度分布の詳細
PM1
PM2
Golden chamber
Problem chamber
Lower electrode RF power increase
˚C / W
˚C / W
2.50E-02
0.00E+02
Model A
Model B
Edge He cooling
-2.50E-02
Difference 7.00E-01
˚C / T
˚C / T
5.00E-01
-5.00E-01
Model A
Model B
Center He cooling
-3.00E-01
Difference
˚C / T
-5.00E-00
1.70E+00
3.00E+01
˚C / ˚C
Lower electrode temp
-2.00E-00
Difference
˚C / ˚C
Model B
7.00E-00
Model A
Model B
Chamber pressure
プロセス変数
数値上昇に対する反応
下部電極のRF電力の増加
ウェーハ全体への熱量増大
ウェーハ・エッジ部のヘリウム冷却
ウェーハのエッジ部における熱量低下
ウェーハ中心部のヘリウム冷却
ウェーハの中心部における熱量低下
下部電極の温度
ウェーハ全体の熱量増大
チャンバ圧力
放射効果
-7.00E-00
˚C / mt
˚C / mt
5.00E+02
-2.00E-00
-1.00E-01
Model B
Difference
図8：ゴールデン・チャンバと被検査チャンバの比較。PlasmaRxソフ トウェアを使用して各プラズマ反応炉の特性を評価した。空間分布解 析エンジンを実行した結果、下部電極温度が、チャンバ間差の原因で あることが判明した 2007年冬号 歩留まり管理ソリューション
プロセス変数とその反応 - 要約
Difference 1.00E+01
Model A
クリティカルなエッチング工程においてはエッチャのチャン バ間マッチングは、今後も難しい技術課題であり続ける。パ ターンの微細化とアスペクト比の増大により、微妙なチャン バ間差を特定し、これを補正しなければ、望まれるレベルの 性能を達成できない。歩留まりを制限する変動の原因を特定 するために2つのチャンバを比較した(9)。基準となるゴールデ ン・チャンバと被検査チャンバの調整パラメータの特性を評 価した（図8）。マッチング調整に使用可能な各調整パラメ ータがどんな効き方をするのかを、SensorWaferデータと高性 能解析ソフトウェアを組み合わせて評価したものである。
3.00E+01
˚C / T
0.00E+00
Model A
プラズマ・エッチング例2：温度に基づくチャンバ間マッチング
Difference 5.00E-02
図7に、洗浄サイクル時のチャンバの健康状態を表したもの を示す。チャンバの稼働状況を把握するために、温度範囲 （最高温度と最低温度の差）を定期的に測定した。温度範 囲が上部管理限界（UCL）を超えた場合にPMを実施した。 UCLを超えたチャンバ異常の面内分布を調べた結果、異常部 位はウェーハのエッジ部で見つかった。PM終了後、チャン バ性能を検証し、チャンバを量産ラインに戻した。
|
www.kla-tencor.com/ymsmagazine
表1：プラズマ・エッチングの制御変数と対応する温度反応（SensorWaferで 計測）
両チャンバの各プロセス変数は、直感的に予想された通りの 反応を示した（表1）。マッチング不良の原因を特定するた めに、各項目に形状比較アルゴリズムを適用し、その結果チ ャンバ間差の迅速な修復を実現する調整パラメータとして下 部電極の温度が選ばれた。
16
計測 プラズマ・エッチング例3：温度による問題のトラブル・シューテ ィング
インライン欠陥検査マップによって、自己調整コンタクト （SAC）エッチング工程において特定のダイで許容不能な 局所的性能低下が明らかになった (10)。SensorWafer（PlasmaTemp™）で装置状態を調べたところ、ウェーハ中心部で温 度が約3˚C高くなっていることが示された。面内温度分布の マップをレビューした結果、局所的に顕著な異常が認めら れた （図9）。温度異常の発生箇所はリフト・ピンの位置に 一致していたため、リフト・ピンを調べた結果、その降下 Hot spot
-11.0 -7.0 -3.0 -0.0
-11.0 -7.2 -3.6 -0.0
Faulty
Normal
図9：正規化された温度分布。リフト・ピンが原因のホットスポッ ト不良（左図）、不良解消後（右図）
RF Voltage (V)
PlasmaVolt Data 6000 4000 2000
0
850
900
950 Time (s)
1000
1050
Reported Chamber Vpp
Temperature (C˚)
80 60 40 150
200
250
300
Time (s)
Chamber E
Nominal CD
“bad” CD
2900 2800 2700 2600
2900 RF Voltage (V)
RF Voltage (V)
Chamber D
2500 2400 460 480
図10は、エッチャによって測定されたVpp電圧低下と、同時 に計測されたPlasmaVoltによっても電圧低下の計測結果であ る。このとき、温度計測用ウェーハはこの間の温度が定常 状態で安定していることが示された。これはプロセスに熱 的慣性があった上、電力が小さかったために逆向きの熱束 が発生し、結果的に熱平衡が保たれたからである。 高感度の電気計測により、温度に連動しないような微妙な プロセス変動の特性評価を適切に行えるようになる。この 量産工場の例では、チャンバE固有の問題として発生したエ ッチングCD異常の診断に電気計測用SensorWaferが採用され た(11)。既存の試験手法では2つのチャンバの機能差を識別す ることはできなかったのである。問題チャンバEと優良チャ ンバDから得られたデータ追跡情報を比較した結果、SensorWafer電気計測によってエッチング時の不安定性が示された （図11）。これは電圧測定なので、この不安定性はRF電力 供給システムが原因であると考えるのが妥当である。問題 はすぐに、電力供給ケーブルの不良であると判明した。ケ ーブル交換後、ウェーハの追跡計測を実行し、CD値は正常 値に戻った。
• プロセス・ウィンドウの縮小は、製造容易性問題と相
図10：エッチャのチャンバ時間で同期したデータ。PlasmaVoltデー タ（上）、バイアス電力供給システムから報告されたVpp電圧デー タ（中）、SensorWafer温度データ（下）
420 440
温度はプラズマ・エッチングの特性評価の指標として有効 であるが、一部のプラズマ・エッチング環境においてはこ れだけでは不十分である。この事例では、ウェーハ表面の 電圧を測定する（PlasmaVolt™）ことでより有益な診断情報 が得られることを示す。
これまで、in-situのウェーハ・レベル計測の例をいくつか考 察してきた。KLA-TencorのSensorWafersをはじめとする計測 用シリコン・ウェーハは、半導体プロセス内部で何が起き ているかの理解を深める上で極めて有効なツールである。 これまで述べてきた主要な動向を以下に整理しておく：
100
100
プラズマ・エッチング例4：SensorWafer電気計測によるプラズマ・プロ セス監視
結論
Temperature Data
50
量の設定が不適切であったことが判明した。プローバの試 験データを解析した結果からもSACのアンダー・エッチング はリフト・ピン上部のダイでのみ発生していることが確認 された。ハードウェア問題を解決し、その結果得られた温 度分布が基準温度分布と一致したことから不具合が解消さ れたことが確認された。量産再開後のプローバ試験でもこ のことが裏付けられた。
500 520
まって、in-situウェーハ・レベル計測に対する需要は ますます高まる。
• プロセス温度の低下および熱バジェットの縮小によ
り、ワイヤレス式のSensorWafersがより望ましい形態と なってきた。
• 電気計測は、プラズマ・システムの温度管理を強力に
2800
補完する。
2700 2600 2500 2400 300 320
Time (s)
340 360
380 400
Time (s)
図11：2つのプラズマ・エッチング・チャンバのPlasmaVolt追跡デ ータ、それぞれ正常および規格外CDを示す
2007年冬号 歩留まり管理ソリューション
|
www.kla-tencor.com/ymsmagazine
17
計測 SensorWafers
参考文献
ワイヤレス計測用ウェーハ（ SensorWafer と呼ばれる） は、標準的なウェーハ搬送ロボットで搬送できるという利 点がある。SensorWafersは搭載されている電子回路の関係 で仕様可能な環境温度が制約される（通常、持続温度で約 140°C）。近年、半導体ロードマップのノードごとにプロセ ス温度は低下し、熱バジェットは縮小している。このこと が、ワイヤレス計測の利用を加速している。大部分のSensorWafersは温度を測定するものであるが、最近は電圧を測定す るものも出てきている。
1. International Technology Roadmap Semiconductors 2006 Update, Lithography. http://www.itrs.net/Links/2006Update/FinalToPost/08_Lithography2006Update.pdf. 2. M. Janakiram, ITRS Factory Integration Presentation, Presentation to Create, Arizona State University, January 2007, http://create.asu.edu/calendar2/pdfs/ITRS_Factory%20Facilities_Jan2007.pdf. 3. P. MacDonald, In situ thermal measurements for Cu barrier seed deposition, OnWafer Technologies, Inc., 2005. 4. L. Zambov, K. Weidner, V. Shamamian, R. Camilletti, U. Pernisz, M. Loboda, G. Cerny, D. Gidley, H Peng, R. Vallery, Advanced chemical vapor deposition silicon carbide barrier layer technology for ultralow permeability applications, JVST A Vol 24(5) September 2006 pp. 1706–1713. 5. A. Callegari, P. Jamison, D. Deumayer, F. McFeely, J. Shepard, W. Andreoni, A.Curioni, C. Pignedoli, Electron Mobility dependence on annealing temperature of W/HfO2 gate stacks: the role of interfacial layer, Journal of Applied Physics, Volume 99, 2006. 6. H. Hocheng and Y.L. Huang, In situ endpoint detection by pad temperature in chemical mechanical polish of copper overlay, IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, Vol 17, No 2 May 2004 pp. 180–187. 7. S. Wang, P. MacDonald, M. Kruger, C. Spanos, M. Welch, CD uniformity improvement and IC process monitoring by wireless sensor technology, IEEE 2004.
上の画像は、10µmのポリイミドでコーティングされた Integral™ウェーハを示す。ポリイミドは可視光に対して透 明なので、電子回路や温度センサの位置の詳細を確認でき る。すべてのセンサおよび電子制御系はウェーハの表面の 下に配置されている。この温度計測用SensorWaferには他に もいくつかの種類があり、たとえば、シリコン、シリコン 酸化膜、その他のユーザ指定のコーティング材料でも形成 可能である。これらの計測用ウェーハはウエット・プロセ ス、CMP、リソグラフィ、低温CVD、PVD、プラズマ・エ ッチングなどの用途に応じて使い分けることが出来る。 次の画像は300mmのPlasmaVolt™ ウェーハである。表面に電 気センサと計測回路が見える。ウェーハ表面から出ているセ ンサおよび電子回路の段差は最大で3.4 mmである。この程度 の段差なら、ほとんどの量産用300mm真空プロセス装置に 標準の搬送ロボットで載せることが可能である。ウェーハ 全体は、化学的にフォトレジストに似たポリイミドで覆わ れている。これらのタイプのSensorWaferは基本的に、プラズ マ・エッチングでの使用に適している。
2007年冬号 歩留まり管理ソリューション
|
www.kla-tencor.com/ymsmagazine
8. I. Husala, K. Enke, H. Grunwald, G. Lorenz, H. Stoll, In situ silicon wafer temperature measurements during RF Ar-ion plasma etching via flouroptic thermometry, J. Phys D Applied Physics 20 (1987) pp. 889–896. 9. P. MacDonald and M. Kruger Component health monitoring and diagnostics in plasma Etch Chambers using in-situ temperature metrology, SEMI® Technical Symposium: Innovations in Semiconductor Manufacturing (STS: ISM) 2004. 10. Brown, T. Schrock, K. Poolla, M. Welch, P. MacDonald Rapid diagnostics of etch processes in high-volume production using temperature metrology, Semiconductor Manufacturing. Volume 4(10), pp.140–156, October 2003. 11. G. Roche, P. Arleo, P. MacDonald, Wafer based diagnostics for dielectric etching plasmas, Northern California AVS, Meeting of Plasma Etch Users Group, May 2007, http://www.avsusergroups.org/peug_pdfs/PEUG_07_5_ Roche.pdf.
18