CD均一性バジェットとは

THEME 02 パターン形成 · 露光の作り込みCD Uniformity Budget

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CD均一性バジェットとは、パターン寸法のばらつきの許容量を1つの $3\sigma$ 値として与え、その総量をマスク側とウェハ側の各工程に割り当てた表のことです。バジェットは、予算のように総額と配分で管理する枠組みを指す言葉です。総額は小さく、2009年のMPUゲートで3.0ナノメートルしかありません。4割をマスクへ渡した残りの1.8ナノメートルを、露光、レジスト、ベーク、エッチングが分け合います。そのうち1.5ナノメートルを、ベーク板のわずか1℃の温度差が使います。1つの工程が取り分を超えると他の工程に使える余裕が減るので、取り分は先に決めておきます。

総額は、ゲート長の約10パーセントにあたる3σ値

パターン寸法均一性（CDU）はレジスト寸法（CD）の均一性を示す指標で、ウェーハ内の複数点でCDを計測し、そのばらつきを標準偏差の3倍にあたる $3\sigma$ 値で表記することが多くあります¹。バジェットは、この $3\sigma$ 値を総額として、どの工程がいくらまで使ってよいかを割り当てます。

ITRS2009版の要求値をまとめたリソグラフィの要求表²（JEITA 半導体技術ロードマップ専門委員会、平成21年度報告）では、2009年の欄でMPUの物理ゲート長が29ナノメートル、そのゲートCD管理値が $3\sigma$ で3.0ナノメートルです。ゲート長の約10パーセントにあたります。同じ表のDRAMの欄では、ハーフピッチ52ナノメートルに対してCD管理値が $3\sigma$ で5ナノメートルです。

4割をマスク側へ配分し、ウェハ側は1.8ナノメートルで分け合う

MPUゲートのCD管理値3.0 nmの配分

総額3.0ナノメートルのうち4割の1.2ナノメートルがマスク側で、ウェハ側1.8ナノメートルの83パーセントをベーク板1℃の温度差が使います。

平成21年度報告のフォトマスクへの要求表には、CD均一性のマスクへの配分という行があり、値はすべての年で0.4です。3.0ナノメートルのうち1.2ナノメートルがマスクの持ち分です。ウェハ側の管理値に0.4とマスク倍率4を掛け、MEEFで割ると、フォトマスク側のCD均一性の要求値になります。2009年の欄で計算すると $3.0 \times 0.4 \times 4 \div 2.0 = 2.4$ ナノメートルで、同じ表の孤立線（MPUゲート）のマスクCD均一性2.4ナノメートルと一致します。

残りのウェハ側の6割は、1.8ナノメートルです。露光装置、コーター／デベロッパ、フォトレジスト、ドライエッチングが、この1.8ナノメートルを分け合います。

ベーク板の温度差1℃が、ウェハ側の取り分の83パーセントを使う

平成21年度報告のレジストへの要求表には、PEB温度感度（nm/℃）という行があり、2009年から2012年の欄が1.5、2013年以降の欄が1です。PEBは露光後のベークで、レジスト内でさらに化学反応を進め、レジスト側壁が波打つ現象を反応物の拡散で低減する熱工程です。

感度1.5ナノメートル毎℃なら、ベーク板の面内温度差が1℃あるとCDが1.5ナノメートル動きます。これはウェハ側の取り分1.8ナノメートルの83パーセントにあたり、ベーク板をゾーンに分けて温度を個別に制御するのはこのためです。ゾーンを増やせば面内温度差を詰められますが、同じ感度はゾーンごとの温度精度にもそのまま掛かります。計算機リソグラフィの図でも、プロセス制御の調整項目として、露光量、フォーカス、収差、レーザー帯域、瞳、フレア、重ね合わせ補正、CDUのための露光量補正、PEB温度のゾーン制御、高次補正が並びます。

ウェハの凹凸とレジスト膜厚は、フォーカス経由で予算を食う

焦点深度（DOF）は、パターン寸法のスペック上下限に対応する露光焦点の深さで、寸法の±10パーセントを満たすフォーカスの範囲で表す例があります。焦点位置精度は、露光領域内の焦点位置のばらつき精度です。焦点位置が振れると像のコントラストが落ち、CDが動きます。

ウェハの凹凸とレジスト膜厚

露光時のウェハサイト平坦度は48ナノメートルから29ナノメートルへ、単層のレジスト膜厚は80〜145ナノメートルから50〜90ナノメートルへ、どちらも同じ報告の要求表の中で縮みます。

同じリソグラフィへの要求表には、露光時のウェハサイト平坦度という行があり、2009年の欄が48ナノメートル、2013年の欄が29ナノメートルです。ウェハが凹凸を持てば、その分だけ焦点位置が振れます。ウェハ平坦度がリソグラフィの要求表へ載るのは、CD均一性の予算をフォーカス経由で食う量が大きいためです。

レジスト膜厚も微細化に伴って薄くなっており、その理由は焦点深度の余裕の低下とレジストパターンの倒れです。レジストへの要求表では、単層のレジスト膜厚が2009年の欄で80〜145ナノメートル、2013年の欄で50〜90ナノメートルです。薄くすればフォーカスの取り分が軽くなり、厚くすればエッチングの取り分が軽くなります。ただし厚くしすぎると、現像後にパターンが倒れます。

露光装置の側では、露光スリット内の露光量の均一性、アライメント精度、焦点位置の制御性が継続して改善されており、焦点深度の低下に伴ってマスクとウェハのフラットネスへの要求も厳しくなっています。コンタクトホールの露光では、スキャン中に焦点位置を変えるフォーカスドリリングという手法も採用されています。

レジストは局所ばらつきを、エッチングは面内差と疎密差を加える

ローカルCD均一性（LCDU）は同じ露光ショット内の局所的なばらつきで、解像限界付近ではレジスト成分の不均一な分布、光子数にあたる露光ドーズ量、露光装置のNAに依存する光学コントラストで決まります。同じ根から確率的欠陥も生じます。レジストライン幅ラフネス（LWR）も、光コントラストが低いと値が大きくなり、ばらつきを $3\sigma$ で表記することが多い量です。

露光ドーズを上げると、レジストが受ける光子数が増え、局所のCDばらつきが締まります。代わりに1枚あたりの露光時間が延びます。2010年時点で、EUVのレジストには、線幅揺らぎ（LWR）が $3\sigma$ で3ナノメートル以下、10ミリジュール毎平方センチメートル以下の感度、40ナノメートル以下周期での解像力という3つを同時に満たすことが求められ³、その両立は厳しい課題でした。感度が高いレジストほど小さな露光量で像を作りますが、そのぶん受ける光子数が減り、ばらつきの側が悪化します。

エッチングの取り分は、露光とレジストとは別に数えます。CD制御とは、エッチング前のマスク寸法からエッチング後のパターン寸法までのシフト量を管理することで、面内差と疎密差まで抑えることで特性の揃ったデバイスを量産します⁴。ラインエッジラフネス（LER）の原因はリソグラフィとエッチングの両方にあり、ゲート材料、フォトレジストの構成物、エッチングケミストリィのすべてが線幅の不確定性に関係します。レジストパターンから直接、あるいはハードマスクの加工後にエッチングで細らせる手法（Slimming）は、すでに一般的に使われています。平均寸法は目標値に合わせられますが、その分、面内差と疎密差が新たに加わります。

ダブルパターニングとSADPは、総額と配分を組み替える

ピッチスプリッティングにおける寸法均一性と重ね合わせ精度の要求は、従来のトレンドに比べて一世代以上厳しく、シングル露光を基準にすると重ね合わせ精度で1/2以下、寸法均一性で $1/\sqrt{2}$ 以下という値が必要と報告されています。1つの層を2回の露光で作るマルチパターニングでは、同じ総額を2回で分け合う形になります。

SADPで寸法を決めるもの

SADPの線は側壁に残ったスペーサそのもので、幅は膜厚で決まります。スペースのほうは、露光パターンのばらつきに側壁の厚さとエッチバックのばらつきが重なります。

SADPは、配分そのものを組み替えます。スペーサで形成される部分のCDUは膜厚制御性で決まり、レジストパターンのCDUに比べて優れています⁵（平成20年度報告）。そのかわりスペースの寸法ばらつきは、露光パターンのばらつきに加えてデポ膜の側壁部の厚さとエッチバック加工のばらつきの影響を受けて劣化します。予算の行が、露光からCVDとエッチバックへ移ります。

マスクへの配分を下げると、マスク側の要求が同じ比率で厳しくなる

マスクへの配分0.4を下げると、ウェハ側の取り分が増えます。式のとおり、マスク側のCD均一性の要求値は同じ比率で厳しくなります。2009年の欄で配分を0.3にすると、マスク側は $3.0 \times 0.3 \times 4 \div 2.0 = 1.8$ ナノメートルになり、その分、マスクの価格と製作日数が増えます。マスク側では、より厳しくなる寸法均一性に対応するには遮光膜の薄膜化が有効です。

ウェハ側で締めるには測る必要があります。露光量の補正をショット内で細かく与えると面内差は縮みますが、補正量を求めるための測定点が増えます。CD-SEMとOCDの測定枚数と点数が、そのまま製造ラインの時間になります。APCは、フィードバックとフィードフォワードによりCDや重ね合わせといったプロセス性能の向上を目指すシステムで、近年はサンプリングのための計測機器を装置内へ組み込む取り組みが進んでいます。APCへ渡す測定点の数が、バジェットの締め方とラインの速度を同時に決めます。

よくある質問（FAQ）

CD均一性バジェットとは何ですか？

パターン寸法のばらつきの許容量を1つの3σ値として与え、その総量をマスク側とウェハ側の各工程に割り当てた表です。バジェットは、予算のように総額と配分で管理する枠組みを指す言葉です。

総額はどのくらいの数字ですか？

ITRS2009版の要求値を載せたJEITAの平成21年度報告の表では、2009年の欄でMPUのゲートCD管理値が3σで3.0ナノメートル、DRAMのハーフピッチ52ナノメートルに対するCD管理値が3σで5ナノメートルです。2009年度時点の見通しです。

マスクにはいくら配分されますか？

0.4です。ウェハ側の管理値に0.4とマスク倍率4を掛け、MEEFで割ると、マスク側のCD均一性の要求値になり、2009年のMPUゲートでは2.4ナノメートルです。

ウェハ側でいちばん大きい項目はどれですか？

PEB温度感度です。2009年から2012年の欄では1.5ナノメートル毎℃なので、ベーク板の面内温度差が1℃あるとCDが1.5ナノメートル動き、ウェハ側の取り分1.8ナノメートルの83パーセントにあたります。

どこを測るとバジェットの使い方が分かりますか？

ウェーハ内の複数点のCDを計測し、ばらつきを3σで表します。CD-SEMとOCDでウェハ内の点を測り、ショット内の局所ばらつきをローカルCD均一性として別に切り分けます。

露光ドーズを上げれば済む話ですか？

ドーズを上げると局所のばらつきは小さくなりますが、1枚あたりの露光時間が延びます。2010年時点で、EUVのレジストには線幅揺らぎ3σ3ナノメートル以下と感度10ミリジュール毎平方センチメートル以下を同時に満たすことが求められ、その両立は難しい課題でした。

ダブルパターニングにすると総額はどうなりますか？

ピッチスプリッティングでは、シングル露光を基準にして重ね合わせ精度で1/2以下、寸法均一性で1/√2以下という値が必要と報告されています。1つの層を2回の露光で作るぶん、同じ総額を2回で分け合う形になります。

比較・違いを学ぶ

MEEF（マスク誤差増強係数）とは── バジェットのマスク欄で割り算に使う係数
焦点深度とは── フォーカスの取り分を左右する幅
エッジ配置誤差（EPE）とは── 寸法の総額に重ね合わせを加えた管理量

出典

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1
日本半導体製造装置協会（SEAJ）：半導体製造装置用語集（リソグラフィ）seaj.or.jp ↩
2
JEITA 半導体技術ロードマップ専門委員会：平成21年度報告第6章 WG5 リソグラフィsemicon.jeita.or.jp ↩
3
電子情報通信学会：知識ベース 10群2編3章プロセス要素技術ieice-hbkb.org ↩
4
日本半導体製造装置協会（SEAJ）：半導体製造装置用語集（ウェーハプロセス）seaj.or.jp ↩
5
JEITA 半導体技術ロードマップ専門委員会：平成20年度報告第6章 WG5 リソグラフィsemicon.jeita.or.jp ↩