三次元ナノ構造の寸法・形状計測技術に関する調査研究

三次元ナノ構造の寸法・形状計測技術に関する調査研究

木津良祐^＊

（平成 28 年 1 月 25 日受理）

A survey on dimensions and

shape measurement techniques of 3D nano structures

Ryosuke KIZU

Abstract

　The nano structures on semiconductor devices have evolved from two-dimension into three-dimension in re-

cent years. The linewidth is the most basic parameter of 3D nano structures of semiconductor devices and used for dimension-control in manufacturing. This report reviews typical measurement techniques for dimensions or shape of 3D nano structures, especially linewidth. A pilot study of interlaboratory comparison of linewidth measurement carried out among the National Metrology Institutes including NMIJ is introduced. At the end, linewidth calibration service provided by NMIJ and future prospect of dimensions and shape measurement techniques of 3D nano structures are discussed.

1．緒言

ナノテクノロジーは物質をナノメートルのスケールで 扱う技術であり，材料開発，製造，医療など様々な分野 に応用されている．21 世紀初頭から，米国をはじめと した各国はナノテクノロジーを国家規模のプロジェクト として戦略的に推進し始めた ^1）．日本においては，第 2 期（2001～2005 年度）および第 3 期科学技術基本計画

（2006～2010 年度）の重要推進 4 分野の一つに指定され て国家規模のプロジェクトが推進された．文部科学省で は，ナノテクノロジー総合支援プロジェクト（2002

-

-

-

-

先端部材実用化研究開発プロジェクト（2005

-

といったプログラムによって，ナノテクノロジーの基盤

＊工学計測標準研究部門ナノスケール標準研究グループ

技術の構築と産業技術への展開を推進している ^3），4）． ナノテクノロジーを推進するための基盤技術として，

ナノスケールで現象や構造の観察をするための計測技術

（ナノ計測）が求められる．ナノ計測には形状計測，電 気特性計測，元素分析など様々あるが，本調査ではナノ メートルオーダーの幾何計測，特に三次元ナノ構造の寸 法・形状計測を対象とした．

三次元ナノ構造の寸法・形状計測が最も求められてい る の は 半 導 体 産 業 で あ る．MPU（Micro-Processing

Unit），DRAM（Dynamic Random Access Memory），

NAND

の最小線幅は現在 10 nm以下 ^5）であり，国際半導体技術 ロードマップ 2013 ^6）によると表 1 に示すように 2022 年

には

FinFET

さ れ て い る． ま た，DRAM 1/2 pitch，Fin 1/2 pitch，

Fin

本調査研究では，半導体素子の製造プロセスなどで必 要となる寸法・形状計測について調査した．2 章では，

半導体素子の寸法管理，近年の半導体素子構造の三次元 化とそれに伴う形状評価パラメータの増加について述べ る．3 章では，半導体素子などで作製される三次元ナノ 構造の代表的な寸法・形状計測技術について述べる．4 章では，三次元ナノ構造の寸法管理で必要となる線幅の 計測技術として主に原子間力顕微鏡を用いた技術につい て述べる．5 章では，産業技術総合研究所計量標準総合 センター（NMIJ/AIST） ^7）の線幅標準供給と今後の展望 について述べる．

2．半導体素子の寸法管理

2. 1　従来の二次元構造の寸法管理

半導体素子には光リソグラフィ技術などの微細加工技 術によって多数の微小なトランジスタが作製されてお り，それは図 1 に示すような二次元構造をしている．Si ウエハ表面近傍には不純物ドーピング等が施されソース とドレインが形成される．Siウエハ上にはソース―ド レイン間の電流を制御するゲートが形成される．「二次 元」というのは，トランジスタ動作に必要な要素の多く が

Si

ト間隔などのパラメータを指標として微細化と高集積化 が進められてきた．

半導体製造現場における品質管理プロセスでは，ゲー ト間隔等の回路パターンの寸法計測が必須であり，走査 型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope: SEM）や

OCD（Optical Critical Dimension）， 原 子 間 力 顕 微 鏡

（Atomic Force Microscope: AFM）といった計測技術を 用いる．これらの計測技術は倍率校正用の標準試料を利 用することでスケール校正や信頼性の担保が可能であ る．代表的な標準試料には図 2 に示すような一次元回折 格子 ^8）があり，そのピッチは

NMIJ（National Metrology Institute of Japan）のような国家計量標準機関（National Metrology Institute: NMI）や校正事業者によって長さの

2. 2　半導体素子構造の三次元化

二次元構造の半導体素子は「ムーアの法則」に従って 40 年以上にわたり微細化が進んできた．しかしながら，

二次元構造トランジスタは物理的限界によって微細化に 限界が見えてきた．限界を破るための新たな素子構造と して，2000 年頃から研究されてきた三次元構造トラン ジスタが近年実用化されてきた ^5），9）．図 3 に

FinFET

FinFET

Si

Fin

Fin

図 1　二次元構造の半導体素子 ^5）（筆者加筆）

図 2　一次元回折格子（60 nmピッチ） ^8）

図 3　FinFET ^5）（筆者加筆）

表 1　国際半導体技術ロードマップ 2013 より抜粋 ^6）

制御される．

トランジスタが三次元構造になったことで，半導体製 造現場の品質管理に必要なパラメータが二次元構造の場 合より増加した．それは，微細加工技術によって形成さ れる

Fin

FinFET

Fin

Critical Dimension:

CD），ラインエッジラフネス（Line Edge Roughness:

LER）， 線 幅 ラ フ ネ ス（Line Width Roughness: LWR），

高 さ， 側 壁 角， 上 部 角 の 曲 率 半 径（Top Corner

Rounding: TCR），側壁ラフネス，裾引き（footing）等

LER，LWR

トマスク基板上や

Si

LER

2. 3　半導体製造プロセス現場での計測装置の校正 半導体素子の製造現場では様々な形状評価パラメータ を計測して製造条件にフィードバックすることで精度の 高い製造プロセスを実現する．現在の

CD

造プロセスの「再現精度」は確保されている ^12）．しかし ながら，この手法では計測値の「正確さ」はわからない ため製造プロセス間や計測装置間に存在するバイアスを 埋めることはできないし，“Golden”ウエハを定期的に 交換すると製造現場の環境変化，経年的な装置の変化

（劣化）を知ることはできない．微細化が進むにつれて このバイアスに起因した計測の不確かさは無視できなく なっていき，歩留りの悪化につながる．このバイアスは 製造プロセス間や工場間，企業間での計測結果の差とな るため，日常的に製造現場で「正確な」標準試料を用い て校正を行う必要がある．

この問題に対して，製造プロセスを代表する一組の標 準試料（全ての製造プロセス・計測装置に対応した計測 対象を含む，校正がなされたウエハのセット）を用いる 手法が提唱されている ^6）．各形状パラメータの絶対値が わかっている一組の標準試料を日常的に製造現場で用い ると，各計測装置のもつ計測バイアスがわかり校正が可 能になると考えられる．

3．三次元ナノ構造の寸法・形状計測技術

本章では図 5 に示すような半導体三次元ナノ構造を対 象とした計測技術を挙げ，その概要を特に寸法・形状の 計測・観察の観点から述べていく．三次元ナノ構造の寸 法・形状の計測・観察技術の多くは試料の表面形状を対 象とした技術である．半導体素子においても，高精度な 寸法計測が重要となるナノ構造は表面近傍にだけ有して いるものが多い．一方，今後は積層型

NAND

図 4　Finの形状評価パラメータ

図 5 半導体三次元ナノ構造（a）FinFET ^5）（b）積層 型

NAND

3. 1　試料表面上の三次元ナノ構造の計測

本章で挙げる寸法・形状計測技術には主に

SEM，

AFM

OCD

3. 1. 1　走 査 型 電 子 顕 微 鏡（Scanning Electron Microscope: SEM）

SEM

V

X

それに特化した

CD-SEM

SEM）

SEM

SEM

この課題に対して，二次電子信号の波形生成物理モデル を利用したシミュレーションによりエッジ位置の決定を 行う方法が研究されている ^18）．

3. 1. 2　ヘ リ ウ ム イ オ ン 顕 微 鏡（Helium Ion Microscope: HIM）

1 章で述べたように，現在最小の線幅は 10 nm以下と

なっており，一般的な

SEM

HIM

HIM

SEMと同じであり，

SEM

HIM

ヘリウムイオンビームを使用すると，回折が小さい，

二次電子を放出させる領域（表面相互作用領域）が狭い といった理由で電子線に比べて数十倍の高い分解能があ る ^21）．また，HIMは

SEM

SEM

HIM

HIM

SEM

SEM

HIM

3. 1. 3 原 子 間 力 顕 微 鏡（Atomic Force Microscope:

AFM）

AFM

AFM

図 6　試料形状と二次電子信号 ^17）（筆者加筆）

るカンチレバーをピエゾ素子によりその共振周波数付近 で振動させる．そして，探針を位置サーボ制御によって 移動させて試料表面に近づける．このとき，探針と試料 表面の間に働く原子間力によってカンチレバーの振動振 幅が変化するため，これが一定になるように探針の高さ

（Z）を制御しながらラスター走査（X，Y）して探針の 位置座標を記録していくと，それが試料表面の形状とな る．

AFM

コンボリューション問題に対して，測定結果から探針 形状を除去して真の形状を得るデコンボリューションが 研究されているが，測定中の探針摩耗による探針形状変 化や探針形状を取得する方法の不完全性により高精度な デコンボリューションは困難である ^25）-28）．

また，AFMは空間分解能の高さからナノ構造の寸法 計測で利用されているが，SEM，OCDに比べ低スルー プットであるため，これらの計測機器ほどは産業用とし て広く使われてはいない．ただし，産業向けの

AFM

置 ^{24），29）}では探針交換等の測定準備，光学顕微鏡観察によ

る測定位置の決定，ウエハ交換などの自動化により高ス ループット化されている．

3. 1. 4　OCD（Optical Critical Dimension）

OCD

CD

OCD

次に各パラメータを少しずつ変えながらシミュレーショ ンを繰り返して，分光波形のシミュレーションライブラ リを作成する．そして実験で得られた分光波形と比較し てよく一致するものをライブラリから決定し，そこから 各パラメータが決定できる．

OCD

図 7 Siラインパターン観察 ^19）（筆者加筆）（a）SEM

（b）HIM（c）二次電子信号波形の比較

図 8　AFMの測定原理 ^24）

図 9　OCDの測定原理 ^30）

スポットサイズ内での平均情報となる点である．また，

分解能はライブラリ作成時の形状モデルのパラメータ数 とその刻み幅の細かさに依存し，分解能を上げるために は膨大な計算が必要となる ^31）．

OCD

装置が安価であるため，半導体製造プロセスで微細加工 の処理前後にインライン測定を行い，プロセスのモニタ のためによく用いられている．また，トレンチホールや 複雑な三次元構造の計測も可能であるが，その場合は数 値解析が複雑となってライブラリ作成に時間がかかるた め数値解析手法の最適化と高速化が課題になる．

3. 1. 5 微小角入射 X 線小角散乱（Grazing Incidence- Small Angle X-ray Scattering: GI-SAXS）

GI-SAXS

OCD

ンであり，試料表面に対して

X

GI-SAXS

OCD

の波長は 10 nm以下と非常に短いため高い分解能が期 待できる ^10）．一方，構造体への

X

大型放射光施設ではなく実験室サイズの

X

GI-SAXS

GI-SAXS

高輝度・高強度な小型

X

3. 1. 6 ス ル ー 焦 点 走 査 光 学 顕 微 鏡（Through-focus Scanning Optical Microscope: TSOM）

TSOM

TSOM

TSOM

軸方向に試料を移動させながら連続的に光学顕微鏡像を 取得し，各測定点の光強度から図 10（b）のような像面 に垂直な面内の強度分布（TSOM像）を作成する．そ して，それと

TSOM

TSOM

TSV（Through Silicon Via）

のパラメータ計測 ^35），EUVマスク ^36）の欠陥検査，ナノ 粒子の数 ^37）といった様々な測定対象への利用が期待され ている．一方，TSOMは近年研究が始められたばかり であり測定対象も単純な構造のみであるため，複雑な構 造の測定や産業用計測機器としての実用化にはさらなる 実験的検証が求められる．

3. 2　試料内部の三次元ナノ構造の計測

ここでは（S）

TEM（透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope: TEM）もしくは走査型透過電子顕

図 10 TSOMの測定原理 ^34）-37）（筆者加筆）（a）光学顕微 鏡の焦点に対して試料を上下に移動させて各測 定点での光強度を記録（b）TSOM像を作成し

,

TSOM

微 鏡（Scanning Transmission Electron Microscope:

STEM））， 電 子 線 CT（Computed Tomography），FIB (Focused Ion Beam)-SEM，X

CT

TEM

TEM，

電子線

CT，FIB-SEM，X

CT

3. 2. 1　（S）TEM

TEM

透過した電子は試料の結晶構造を反映した回折像を含ん でいるため，結晶中の転位や積層欠陥の観察が可能であ る．一方

STEM

-STEM

ラスト像）となるため試料の組成情報が得られる ^38）．た だし，（S）

TEM

nm

SEM

3. 2. 2　電子線 CT

電子線

CT

TEM

任意の箇所の情報を抽出できる．再構成の空間分解能や 像質は，それぞれの透過像の空間分解能，試料傾斜角度 範囲，回転角度刻みの細かさに依存する．

電子線

CT

CT

TEM

は再構成したとき測定値に大きな誤差が生じる ^42）．測定 時間については，連続的な二次元像の取得の際に試料の 中心軸をとらえてその軸の周りに回転させることが難し く，毎回焦点を合わせる作業が必要となるため長くか かってしまう．近年はリアルタイム電子線

CT

3. 2. 3　FIB（Focused Ion Beam）-SEM

FIB-SEM

ショニングの一つである．FIBにはスパッタリング効果 があり半導体や金属など様々な材料の微細加工ができ る．試料平行方向から

FIB

SEM

Ga

ある ^{14），39）}．FIB-SEMの利用により，図 11 に示す積層型

NAND

FIB-SEM

意の断面を抽出することができるため立体的な解析が可 能な点である．また，FIB-SEMは電子線

CT

図 11　積層型

NAND

による物理的もしくは熱的な加工ダメージやイオン残留 がある点である ^45）．

3. 2. 4　X 線 CT

X

CT

CT

CT

X

X

十分に高い強度をもつ

X

X

CT

CT

研究室規模の

X

3. 3　各計測技術の特徴のまとめ

3.1.で挙げた計測技術のうち，SEM，OCD，AFMは 研究開発が長年行われており半導体産業の製造現場でも 利用されている．製造現場ではインライン計測のニーズ が高く，形状観察や製造プロセスの異常を発見するモニ タの役割はスループットの高い

SEM

OCD

AFM

SEM

SEM

試料内部の三次元ナノ構造観察については，今後も進 展するナノ構造の積層化に対応するために 3.2.で挙げた 計測技術のニーズがより高まっていくと考えられる．

（S）

TEM

CT

TEM

高く，さらなる高分解能化が望まれる．X線

CT

X

ここでは述べなかったが，いくつかの計測技術は寸 法・形状の計測・観察のためだけではなく機能が複合化 されており，電気特性，元素分析，構造解析などの計測 も可能である．

4．半導体素子の形状評価パラメータの絶対寸法計測技術

半導体素子メーカにとって製品の歩留り向上は重要で あり，そのためには製品を設計通りに製造する必要があ る．そのため，加工工程においてインラインで寸法・形 状計測を行いその結果を各加工パラメータにフィード バックする．2 章で述べたように，インライン計測機器 のスケール校正，信頼性の担保のためには絶対寸法が既 知の標準試料が必要となる．よって，標準試料は長さの 国家標準にトレーサブルに校正される必要がある．

各国

NMI

AFM

実体観察法であるため長さの国家標準にトレーサブルな 計測に適している，といった利点をもつためである．線 幅の絶対寸法計測においても，標準試料の校正の観点か らみると

AFM

TEM

本章では，三次元ナノ構造の半導体素子で最も基本的 なパラメータである線幅の計測課題，各国

NMI

AFM

4. 1　従来の線幅計測の問題点

マイクロメートルオーダーより小さな線幅標準試料に は代表的なものとして，図 12 に示すような

Si

Si

従来の線幅測定では

SEM，光学顕微鏡，AFM

な線幅のラインパターンの場合はエッジ効果による左右 の二次電子信号のピークが重なり合ってしまう問題によ りさらに難しくなる．光学顕微鏡の場合は光の回折限界 により分解能が光の半波長程度しかないためナノスケー ル計測は難しい．AFMにおいても，三次元で高分解能 であるものの，AFMの探針が試料表面に対して垂直に アプローチする原理上，図 13 に示すようにある程度の 開き角を持つ探針の先端が垂直に立ち上がったラインの 側壁に届かない．また，測定結果に探針形状が含まれる コンボリューション問題もある．一次元回折格子の場合 は絶対寸法計測ではなく周期的なラインパターンのピッ チ測定を行っていたため，コンボリューション問題を無 視しても 1 nm以下の小さな不確かさでピッチ測定が可 能 ^8）であったが，線幅測定は絶対寸法計測であるため高 精度なデコンボリューションが必要となる．一般的な

AFM

4. 2　近年の線幅計測技術

一般的な

AFM

AFM

極的に

AFM

また，（S）

TEM

AFM，傾斜探針 AFM，CNT

針

AFM，（S） TEM を利用した方法を挙げていく．

4. 2. 1 フレア形状探針 AFM

フレア形状探針

AFM

AFM

AFM

AFM

一般的な

AFM

る ^{54），55）}．よって，線幅を求めるためには探針幅の寸法を

高精度で求めて補正する必要がある．また，探針先端が 比較的大きく細かい凹凸へ探針が入り込めないため表面 粗さ計測の分解能は低くなる．また，垂直方向の原子間 力検知ではフレア形状の底面が大きな面であるため不安 定になりやすいと考えられる．

NIST（米国 NMI）と PTB（独国 NMI）では図 15 に

図 12 Si線幅標準試料（IVPS100-PTB） ^49）（筆者加筆）

（a）表面

SEM

TEM

図 13 一般的な

AFM

図 14 （a）フレア形状探針（b）フレア形状探針によ る線幅測定 ^53）（筆者加筆）

示すような手法で線幅試料の校正を行っている ^{49），56）}．

（1）2 つの線幅試料を用意し，それぞれを同じフレア形 状探針を用いて同じ条件で線幅測定する．（2）一方の線 幅試料を，4.2.4.で述べる（S）

TEM

TEM

もう一方の線幅試料の測定結果から（3）で求めた探針 の幅を引き，その線幅試料に校正値を付与する．このよ うにしてナノスケールの不確かさの線幅標準試料が得ら れる．この手法では主に，（1）AFM測定の再現性，（2）

（S）

TEM

（1） に つ い て は

PTB

VAP（Vector Approach Probing）法

AFM

VAP

AFM

（2） に つ い て は，4.2.4.で 述 べ る よ う に 高 分 解 能

（S）

TEM

Si

Si

Si

TEM

（S）

TEM

（S）

TEM

（3）は，フレア形状探針の形状や振動に起因する実効

探針幅の変動のことを指す．例えば，測定試料の側壁角 度依存性がある．フレア形状探針と側壁との原子間力 は，フレア形状の最も幅の広い箇所（リッジ）で検出さ れる．しかしながらリッジは有限の丸みをもつため，

フォトマスク基板上

Cr

フレア形状探針

AFM

AFM

SEM

OCD

産業用では高スループット化されている．BRUKER社 製のフレア形状探針を用いた最新の

CD-AFM

NIST

4. 2. 2 傾斜探針 AFM

傾斜探針

AFM

AFM

図 18 に一般的な

AFM

AFM

図 15　NISTおよび

PTB

図 16 VAP法 ^58）（筆者加筆）①探針を試料へ移動 ②探 針が試料を検知してこのときの探針位置座標を 形状データとして記録 ③探針を試料から離して 次の測定点へ移動

と探針傾斜回転軸の設置角度に依存した傾斜角度で探針 傾斜が制限される．この制限に起因してカンチレバーの 傾斜角とラインパターンの垂直側壁がなす角が小さく探 針と側壁の位置関係が平行に近い場合は，原子間力の検 知が難しくなると考えられる．

また，探針を傾斜させる機構は一般的な

AFM

NMIJ

AFM

にして行う．探針の傾斜角は 16°程度が限度であるが，

図 19 に示すように探針の傾斜角とは独立に探針制御軸 を任意の角度で行える．これにより，側壁走査の安定性 が向上し，測定点密度の調整も可能になる．

傾斜探針

AFM

AFM

TEM

傾斜探針

AFM

AFM

－ 38°から＋ 38°の範囲で傾斜回転が可能なため試料の置 き換えが必要ない．この傾斜探針

AFM

図 17 傾斜探針

AFM

図 18　AFM探針のベース基板の肩 ^68）（筆者加筆） 図 19　（a），（b）傾斜制御あり（c）傾斜制御なし

傾斜により，ベース基板の肩が試料にぶつかることなく

± 38°と高い角度での傾斜が可能になっている．

4. 2. 3 CNT 探針 AFM

図 20 に

CNT

Si

nm

た ^{24），69）-72）}．しかしながら，CNT探針の作製のコスト，

作製した

CNT

CNT

CNT

CNT

側壁形状が得られるという報告もある ^72）． 4. 2. 4 （S）TEM による線幅計測

3.2.1.で述べた（S）

TEM

TEM

加工前には，測定構造とその他の何もない空間とのコン トラストを高くするためにカーボンのコーティング処理 が行われる．

この手法では，Siの原子間隔を利用して線幅測定を 行うためサブナノスケールの非常に小さな不確かさで測 長が可能である ^{49），73）}．一方，大気中では単結晶

Si

（S）

TEM

AFM

4. 3 予備基幹比較 NANO6（Si 線幅）

国際メートル条約の下で運営されている国際度量衡委 員会（CIPM）の中に長さ諮問委員会（CCL）があり，

その中の寸法・形状計測（Dimensional Metrology）に 関 す る 作 業 委 員 会 の デ ィ ス カ ッ シ ョ ン グ ル ー プ

（WGDM7 DG）において，5 つのナノメトロロジーの予 備基幹比較（NANO1～

NANO5）が提案された

NANO6 を合わせた計 6

表 2　ナノメトロロジーの予備基幹比較

NANO2（段差），NANO3（標準尺），NANO4（一次元

NANO6（Si

ロット

NMI

NIST

NANO1（フォトマスク線幅）は今後実施される予定で

NANO1 が実施される場合にはこれにも参加予定であ

NANO6 で使用する計測装置は AFM

る．これは複数の計測装置の使用による比較の複雑化を 避けるためである．一方，様々な種類がある

AFM

NMI

AFM

cm×1 mm

Si

はほぼ垂直な側壁をもつ．図 21 に測定箇所の構造を示 す．ラインパターンは公称値で 30 nmから 250 nmまで の 範 囲 の 線 幅 が 6 種 類 あ り， 高 さ は 約 160 nmで あ

る ^{50），77）}．AFMは探針が届かない箇所の測定ができない

欠点をもつため，これらのラインパターンは実際の製造 プロセスで作製される密な繰り返しパターンではなく，

周囲にある程度の間隔をもたせた孤立ラインパターンで ある．6 種類のラインパターンが並んだラインパターン 群は同一基板上に複数作製されており，比較測定に使用

するラインパターン群はパイロットが指定する．ライン パターン群はいくつかのアライメントマークによって基 板上での位置が示され，ラインと直交する向きに置かれ た最も小さなアライメントマークを中心とした 1 µmに わたる長さの範囲で，ラインの 50 ％の高さにおける線 幅測定を行った結果の平均値を，それぞれ 6 種類のライ ンパターンで求めて報告する．また，線幅結果の不確か さ算出の詳細とデコンボリューションの手法と手順につ いても報告する．

4. 4 線幅以外の形状評価パラメータ

上記のように，線幅についてはいくつかの計測技術が 研究され，予備基幹比較も行われている．一方，2.2.で 挙げたように線幅以外にも形状評価パラメータは多数あ る．

フレア形状探針

AFM

AFM

LER，LWR，高さ，側壁角といっ

LER

LWR

ラインパターンの 1 µmの長さの範囲で数十本程度のラ インをまたがるような走査線から求めている．この走査 線を増やすことでサンプリング数は増加して

LER

LWR

LER

LWR

AFM

凹凸の大きな構造や探針の円筒型部分とリッジとの距離 分（リッジの飛び出し距離分）より内部に入り込んだ側 壁構造（オーバーハング，アンダーカット）の測定は不 可能である．また，TCRや側壁ラフネスといったパラ

図 21 国際比較に用いられる線幅試料 ^77）（a）上面図（b）断

面図 図 22　ライン長手方向走査